Manual de Practicas Taller I Electronica LABORATORIO

MINISTERIO DE EDUCACION UNIVERSITARIA INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA AGRO INDUSTRIAL INGENIERIA EN ELECTRONICA SAN CRISTOBAL ESTADO TACHIRA

MANUAL DE PRACTICAS PARA EL LABORATORIO DE LA UNIDAD DE FORMACION TALLER I HORAS PRÁCTICA / SEMANA: 4.0 UNIDAD DE CREDITO: 6 u.c.

Fecha de elaboración: Mayo, 2014 Autor: Ing. Nelly Coromoto Chacón Guerrero

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PROLOGO El presente manual de prácticas para el laboratorio de la Unidad de Formación Taller I, comprende el desarrollo de trece (13) actividades que se ejecutaran a lo largo de 36 semanas, las cuales corresponde a un año académico. Estas actividades estudian, a nivel práctico, las base teóricas de las unidades de formación Circuitos eléctricos y Electrónica, describiendo la operación de los elementos electrónicos más usuales, el diseño de estos bajo ciertas condiciones de trabajo y su utilización en prototipos elementales que ejemplifican el uso de estos. Bajo lo anterior descrito, este manual completa la serie de actividades teórico-practicas que proporcionan al estudiante de la unidad de formación de Taller I, las habilidades y destrezas necesarias para el manejo de los dispositivos electrónicos de uso más frecuente en el área de la Ingeniería en Electrónica. REGLAMENTO DE LABORATORIO 1. Dentro del laboratorio laboratori o queda estrictamente estrictament e prohibido: a. Correr, jugar, gritar o hacer cualquier otra otra clase de desorden. b. Dejar basura en las mesas de trabajo y/o pisos. c. Sentarse en las mesas de trabajo. d. Fumar e. Introducir alimentos y/o bebidas. f. Introducir Introduci r cualquier cualquier objeto ajeno a las prácticas de laboratorio, tales como: televisiones, televisiones , equipos de sonido (aun con audífonos) excepto algún equipo para realizar las prácticas g. La presencia de personas ajenas en los horarios de laboratorio. h. Mover equipos o quitar accesorios de una mesa de trabajo sin el consentimiento previo del profesor de laboratorio en turno. i. Usar o manipular manipular el equipo equipo sin el conocimient conocimiento o previo del profesor. profesor. j. Rayar las mesas mesas del laboratorio. laboratorio. k. Energizar algún circuito sin antes verificar que las conexiones sean las correctas (polaridad de las fuentes de voltaje, multímetro, multímetro, etc.). l. Hacer cambios en en las conexiones o desconectar equipo estando esté energizado. m. El uso de teléfonos celulares, estando dentro del aula se exige apagarlo. n. La entrada al laboratorio en sandalias, sandalias, franelillas, con gorras. gorras. o. El uso de cadenas, collares, anillos y pulseras pulseras metálicas. metálicas . p. Retirarse el laboratorio sin previa previa autorización del profesor. 2. Verifique las características de los dispositivos electrónicos electrónico s con el manual o pregunte a su profesor de laboratorio. 3. Es responsabilidad del usuario revisar las condiciones del equipo del laboratorio al inicio de cada práctica y reportar cualquier anomalía que pudiera existir (prendido, dañado, sin funcionar, maltratado, etc.) al profesor del laboratorio correspondiente. 4. Quien requiera hacer uso de las instalaciones de laboratorio para desarrollar trabajos, prácticas o proyectos, es requisito indispensable que esté presente el profesor responsable atendiendo a los alumnos, en caso contrario no podrán hacer uso de dichas instalaciones. NORMATIVA INTERNA DE LA UNIDAD DE FORMACION TALLER I Para que se facilite el rendimiento en el Laboratorio, es necesario que tome en cuenta las siguientes normas: 1. Los estudiantes serán divididos en grupo de dos estudiantes cada uno como máximo. 2. Antes de finalizar la misma, cualquier daño o pérdida del material serán de su responsabilidad. 3. El estudiante debe preparar la guía de práctica antes del día que le toque realizarla, realizarla , para que cuando esté en el Laboratorio, y vea los equipos a usar, le sean familiares y pueda aclarar con el profesor las dudas que surgieron cuando leyó la práctica. 2

4. Es requisito indispensable para la realización de las prácticas, que el alumno cuente con su manual completo y actualizado al año en curso. 5. Es requisito indispensable que el estudiante cuente para cada cada una de las actividades de laboratorio con los siguientes recursos: a. Multímetro en buen estado. b. Protoboard c. Por lo menos tres (3) puntas de prueba para conexión de osciloscopio y generador de señales. d. Por lo menos seis seis (6) cables conectores banana-banana, banana-caimán, banana-caimán , caimán-caimán. e. Componentes electrónicos para ejecución de cada práctica. práct ica. 6. El alumno deberá traer su circuito armado para poder realizar la práctica. 7. En las prácticas se incluye un Reporte de Trabajo que Ud. irá respondiendo, a medida que efectúa el trabajo, al final f inal lo presentará al profesor, para su respectiva corrección y posterior posterior presentación del informe de resultados el cual deberá contener: a. Portada b. Introducción c. Objetivos d. Resultados obtenidos (tablas de datos medidos, gráficas) e. Desarrollo del post laboratorio laboratorio f. Análisis de resultados g. Conclusiones. 8. Debe tener en cuenta que la asistencia a la práctica es obligatoria, ya que que las prácticas perdidas no son recuperables. OBJETIVO TERMINAL DEL CURSO Analizar, interpretar, interpretar, desarrollar, construir construir y comprobar circuitos eléctricos y electrónicos electrónicos con base en componentes electrónicos, que permitan al estudiante realizar la implementación de circuitos que comprueben las argumentaciones de los conceptos teóricos correspondientes para cada caso, según especificaciones dadas. CONTENIDO Práctica 1: Instrumentación electrónica y componentes básicos. Reconocimiento de equipos de laboratorio Práctica 2: Instrumentación electrónica y componentes básicos. Manejo del osciloscopio Práctica 3: Instrumentación electrónica y componentes básicos. Manejo del multímetro Práctica 4: Ley de Ohm. Propiedades de los circuitos de resistencias serie y paralelo Práctica 5: Comprobación de las leyes de Kirchhoff Práctica 6: Comprobación del Teorema de Thevenin, Teorema de Norton y Principio de Superposición Práctica 7: Respuesta en régimen transitorio de circuitos RL, RC y RLC Práctica 8: Estudio del Diodo de Unión y del Diodo Zener Práctica 9: Rectificadores de tensión con diodos Práctica 10: Circuitos con diodos. Circuitos recortadores, multiplicadores y sujetadores. Práctica 11: Transistores BJT y JFET Práctica 12: Transistores BJT y JFET. Análisis de funcionamiento en pequeña señal Práctica 13: Amplificador Amplificadores es de potencia Clase A, B y AB

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COORDINACION: PNF EN ELECTRONICA

ESPECIALIDAD: INGENIERIA ELECTRONICA

UNIDAD CURRICULAR:

TRAYECTO:

CODIGO:

UNID/CREDITO:

TALLER I

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PRACTICA No. 1 INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y COMPONENTES BÁSICOS Reconocimiento de equipos de laboratorio OBJETIVOS 1. Caracterizar los los diferentes diferentes equipos equipos a utilizar utilizar en el laboratorio

MARCO TEÓRICO OSCILOSCOPIO El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical (Y) representa el voltaje; mientras que el eje horizontal (X) representa el tiempo. Con un osciloscopio se puede: a. Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. b. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. c. Determinar que parte de la señal es de corriente continua y cual de corriente alterna. d. Localizar averías en un circuito. e. Medir la fase entre entre dos dos señales. f. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Los osciloscopios se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. a. Analógicos: Trabajan con variables continuas. Trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. b. Digitales: Trabajan Trabajan con variables discretas. discretas. Utilizan previamente previamente un conversor conversor analógico-digital analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de 4

tensión que se producen aleatoriamente) Un osciloscopio típico posee controles agrupados en cinco secciones: Vertical. Horizontal. Disparo. Control de la visualización. Conectores.

GENERADOR DE SEÑALES Un generador de señales es un instrumento que proporciona señales eléctricas. En concreto, se utiliza para obtener señales periódicas (la tensión varía periódicamente en el tiempo) controlando su periodo (tiempo en que se realiza una oscilación completa) y su amplitud (máximo valor que toma la tensión de la señal).

Se pueden clasificar en dos categorías básicas: a. Generadores de función analógi a nalógicos cos:: Utilizan un oscilador controlado por tensión para generar una forma de onda triangular de frecuencia variable. De esta se obtienen las formas de onda sinusoidal y cuadrada. b. Generadores de función digitales: Utilizan un convertidor digital - analógico para generar la forma de onda desde valores almacenados en una memoria. Típicamente, genera señales de forma cuadrada, triangular y la sinusoidal, que es la más usada. Sus mandos de control más importantes son: a. Selector de forma de onda (cuadrada, triangular o sinusoidal) b. Selector de rango de de frecuencias (botones) y de ajuste continuo de éstas (mando rotatorio). La lectura de la frecuencia en el mando rotatorio es tan sólo indicativa. La medida de tal magnitud debe realizarse siempre en el osciloscopio. FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONTINUA Una fuente de tensión continua es aquella que proporciona a su salida tensión constante en el tiempo, independientemente de la carga alimentada. Su función es la de alimentar los prototipos electrónicos y aparatos electrónicos y eléctricos a baja tensión continua, con valores que suelen estar comprendidos entre 0V y unos 30V. Estas fuentes de alimentación permiten suministrar valores de corriente máxima comprendidos, típicamente, entre 1A y 5A.

Las fuentes de poder de corriente continua cumplen con la tarea de suministrar la tensión (voltaje) y la corriente necesaria para el funcionamiento de diversos instrumentos, por lo que es de gran utilidad que las fuentes de poder se ajusten a diversas condiciones de funcionamiento. Las principales especificaciones de una fuente de poder de corriente continua son: a. Alcance en tensión (por ejemplo 0 V a + 30 V) 5

b. c. d. e. a.

b. c.

d.

Alcance en corriente (por ejemplo 0 A a 5 A) Polaridad única (por ejemplo 0 V a 5 V) Polaridad dual (por (por ejemplo -10 V a +10 V) Tensión de alimentación alimentac ión requerida (por ejemplo 110 Vca ó 220 Vca) Las fuentes de tensión continua pueden ser clasificadas según: Atendiendo al número número y tipo de salidas:  Con salida única ajustable.  Con salida salida única única ajustable y una o varias salidas de tensión fija.  Con salidas doble, triple o cuádruple cuádruple ajustables y con o sin salidas de tensión fija. Atendiendo al modo modo de trabajo podemos tener:  Lineales.  Conmutadas. Atendiendo al sistema de medida de la tensión y corriente de salida: salida:  Indicadores digitales separados para tensión y corriente.  Indicadores digitales conmutables entre tensión y corriente.  Indicadores analógicos separados para tensión y corriente.  Indicadores analógicos conmutables entre tensión y corriente. Atendiendo a la forma de controlar la FA:  Control manual, analógico o digital.  Control manual y control por PC (RS-232, GPIB) GPIB)

MULTÍMETRO Un multímetro es un dispositivo portátil que combina diferentes pruebas electrónicas y herramientas de medición. Un multímetro básico mide la resistencia, el voltaje y la corriente. Los modelos más avanzados pueden medir la capacitancia, la inductancia y la temperatura. Estos también pueden ser capaces de medir la frecuencia y ciclo de trabajo (una medida en relación a los sistemas de impulsos, tales como redes de fibra óptica).

Un multímetro tiene controles para que se pueda seleccionar el parámetro a medir, como la resistencia, la corriente o el voltaje. Normalmente, el control principal será una línea la cual, al girar, permite seleccionar lo que se está probando. Los botones o interruptores también son posibles, ya sea como controles principales o secundarios; para seleccionar el rango de valores que se está buscando, aunque existen multímetros que encuentran el rango automáticamente. En el interior del multímetro hay diferentes circuitos para diferentes medidas, los controles permiten seleccionar cual es el circuito que está en uso. Existen dos tipos de multímetro: a. Multímetro digital: digital: Este instrumento, mientras mide las magnitudes, emplea circuitos para convertir los valores analógicos en valores digitales que luego se muestran en una pantalla. Este multímetro posee una pantalla de cristal líquido ó display, en la cual se mostrará la lectura del valor que se está midiendo analógico: Funciona mediante el principio de funcionamiento del galvanómetro, la aguja se b. Multímetro analógico: mueve sobre una escala graduada. Su funcionamiento es por medio de una bobina que recibe la señal a medir, ya sea voltaje ó corriente o bien, manejará una señal recibida internamente para determinar el valor 6

de un resistor. Dicha señal, será suministrada al multímetro por medio de 2 puntas que están conectadas a 2 terminales al mismo. La señal que recibe el aparato de medición excita la bobina generando con esto un movimiento de la aguja del multímetro, misma que se posicionará en un sector de la pantalla, dependiendo de la intensidad de la señal que sea recibida.

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Generador de señales 2. Osciloscopio 3. Fuente de tensión continua 4. Multimetro Parte 1: Reconocimiento del Generador de Señales 1. Examine el generador de señales asignado, identifique y registre los datos básicos del dispositivo: Nombre del instrumento instrumento Tipo Marca Modelo 2. En la figura identifique los controles del del generador de señales que se mencionan a continuación: a. Encendido b. Control de variación de frecuencia c. Selector de función a generar. d. Componente DC (off-set) (off-set ) e. Control atenuación. f. Amplitud. g. Salida del generador.

3. Establezca en la siguiente tabla tabla los rangos máximos y mínimos para cada uno de los controles controles establecidos. 7

Máximo

Mínimo

Control de amplitud 0 dB 20 dB 40 dB 60 dB Control de variación de frecuencia x1 x 10 x 100 x 1k x 10k x 100k x 1M x 10M Parte 2: Reconocimiento Reconocimiento del osciloscopio 1. Examine el osciloscopio asignado identifique identifique y registre los datos básicos del dispositivo. dispositiv o. Nombre del instrumento instrumento Tipo Marca Modelo 2. En la figura, identifique los controles del osciloscopio que se se mencionan a continuación: a. Encendido b. Menú canal 1 y canal 2. c. Volt/Div canal 1 y canal 2. d. Conector Canal 1 y Canal 2. e. Time/Div f. Conector para la calibración de punta de prueba. g. Modo de sincronización

3. Establezca en la siguiente tabla los multipli multiplicadores cadores (control grueso) para cada uno de los controles controles establecidos. 8

Multiplicador

Volt/Div canal 1 y canal 2

Time/Div

Parte 3: Reconocimiento de la fuente de tensión continua 1. Examine la fuente de tensión continua asignada, identifique y registre los datos básicos del dispositivo. Nombre del instrumento instrumento Tipo Marca Modelo 2. En la figura, identifique los controles de la fuente de tensión continua que se mencionan a continuación: a. Encendido b. Bornes de salida salida de de tensión variable CH1 y CH2 c. Bornes de salida de tensión fija d. Control de tensión de salida CH1 y CH2 e. Control de corriente de salida CH1 y CH2 f. Control de inhabilitación inhabilitaci ón de salidas g. Control de de modo de trabajo

3. Establezca en la siguiente tabla los valores mínimos y máximos máximos de salida para cada situación. 9

Mínimo

Máximo

Modo independiente: Salida CH1 Modo independiente: Salida CH2 Modo serie: Salida CH1 Modo serie: Salida CH2 Modo serie: Salida CH1-CH2 Modo paralelo: Salida CH1 Modo paralelo: Salida CH2 Modo paralelo: Salida CH1-CH2 Salida de CH3 Parte 4: Reconocimiento Reconocimiento del multimetro 1. Examine el multímetro asignado identifiq identifique ue y registre los datos básicos del dispositivo. Nombre del instrumento instrumento Tipo Marca Modelo 2. En la figura, identifique los controles del multímetro digital que se mencionan mencionan a continuación: a. Encendido b. Perilla de control de escala c. Control AC-DC d. Control de de rango manual-auto rango e. Borne de de salida salida común o GND g. Borne de de salida para medición medición V- Ω-Diodo h. Borne de salida para medición corriente i. Borne de medición de transistores

3. Establezca en la siguiente tabla los diferentes rangos máximos de medición en las diferentes escalas. Alcance máximo de medida Corriente. Escala 1 Corriente. Escala 2 Corriente. Escala 3 Tensión V (ac-dc) Resistencia Ω

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POST-LABORATORIO: Emitir las conclusiones respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo.

BIBLIOGRAFÍA 1. Manuales de operación de los diferentes equipos o instrumentos de medición. DOCENTE RESPONSABLE Ing. Nelly Chacón

VIGENCIA: Mayo, 2014

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UNIDAD CURRICULAR:

TRAYECTO:

CODIGO:

UNID/CREDITO:

TALLER I

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PRACTICA No. 2 INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y COMPONENTES BÁSICOS Manejo del osciloscopio OBJETIVOS: 1. Reconocer los equipos e instrumentos empleados en el Laboratorio Laboratorio de Electrónica: el osciloscopio, el generador de señales. 2. Estudiar los conceptos de medición de amplitud y frecuencia.

MARCO TEÓRICO

OSCILOSCOPIO El osciloscopio es un instrumento de visualización gráfica que permite observar señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical representa el voltaje, mientras que el eje horizontal representa el tiempo. Se usa un sistema de sincronización por disparo ( trigger ), ), el cual marca el inicio del barrido horizontal y por tanto fija el punto donde comienza la representación de la señal y permite su estabilización en la pantalla. El osciloscopio posee dos canales, por lo que será posible visualizar dos señales diferentes. Para ello, se conecta la sonda al punto cuya tensión se quiere representar, y la pinza (contacto de tierra) al punto que se quiera tomar como referencia de voltajes.

IMPORTANTE: IMPORTANTE : Los contactos de referencia de los dos canales están conectados entre sí, por lo que sólo será posible representar dos diferencias de tensión con respecto a un mismo punto. 12

Los controles de ajuste horizontal y vertical permiten ajustar la visualización de los dos canales y =1/T= ω/2π) y amplitud de las señales, teniendo en cuenta los valores de realizar medidas de frecuencia ( f =1/T= Voltios/div y Tiempo/div seleccionados. Sin embargo, para que las medidas sean correctas hay que verificar siempre que los controles estén en posición de calibrado (tanto en el eje vertical como en el horizontal, el mando de rango variable debe estar colocado en CAL).

Para averiguar en qué punto de la pantalla se sitúa nuestra referencia (V=0 V, que es diferente para cada canal) es necesario hacer uso del mando de acoplamiento de la señal de entrada, y colocarlo en posición GND (ground = tierra). Una vez colocada la referencia en una posición conocida (por medio del mando de desplazamiento vertical), la posición DC permitirá representar la señal completa, mientras que la posición AC eliminará su componente de continua ( offset ), ), haciendo que su valor medio sea nulo.

Introducción al manejo del osciloscopio osciloscopio Un osciloscopio es un aparato de medida que permite representar la variación de una tensión frente al tiempo. Normalmente, presenta dos canales de entrada por donde se introducen las señales de tensión que se 13

desean visualizar. Para utilizar correctamente el osciloscopio es necesario conocer el funcionamiento de tres de sus partes fundamentales: a. Canal vertical b. Canal horizontal c. Circuitos de sincronismo sincronismo Canal vertical Permite modificar los parámetros fundamentales de visualización del eje vertical para una señal representada en la pantalla del osciloscopio. Básicamente consta de los siguientes mandos accesibles desde el exterior: 1. Modo de entrada: El entrada: El osciloscopio dispone de un conmutador que permite seleccionar tres posibles modos de funcionamiento: a. DC: Permite visualizar visualiza r la señal íntegramente, tanto su componente continua como su componente componente alterna. b. AC: Elimina la componente continua de la señal de de entrada por lo que se visualiza únicamente la componente alterna de la señal. c. GND: En esta posición se visualiza la señal de referencia (masa del osciloscopio). osciloscopio). Se utiliza para posicionar el nivel cero de tensión 2. Mando de sensibilidad: Permite sensibilidad: Permite cambiar la escala vertical (Voltios/división vertical) de visualización de la señal aplicada al osciloscopio. Este cambio de escala puede hacerse de forma discreta, existiendo diversas escalas (10V/div, 5V/div, 100mV/div…) o de forma continua (para ajustar la escala a cualquier valor

intermedio entre los distintos valores discretos) mediante un mando de ajuste fino (Vernier) que suele tener indicado en la carátula del osciloscopio una posición de calibrado (CAL). Es muy importante recordar que si este mando de ajuste fino está fuera de la posición de calibrado, la escala vertical de la señal visualizada no corresponde con la indicada por el mando de sensibilidad vertical. Se recomienda trabajar siempre en posición CAL. En la mayoría de los osciloscopios esta posición se detecta mediante un “click” en uno de los extremos de giro del Vernier. 3. Mando de desplazamiento vertical: vertical: Permite desplazar verticalmente la señal visualizada en el osciloscopio. 4. Conmutador de selección: El selección: El osciloscopio posee un conmutador que permite indicar la(s) señal(es) que se desea visualizar en cada momento. Normalmente se pueden ver: sólo el CANAL1, sólo el CANAL 2, los dos canales a la vez y la SUMA de los dos canales. Además, el osciloscopio suele tener un mando que nos permite invertir la señal aplicada al CANAL 2 con los que también puede verse en el osciloscopio la diferencia de dos señales de entrada (CANAL 1 - CANAL 2). Este modo es conocido como modo diferencial, mediante el cual se puede obtener la tensión que cae en un componente del circuito que no está conectado a la señal de referencia (masa) del mismo. Canal horizontal Permite modificar los parámetros fundamentales de visualización del eje horizontal para una señal representada en la pantalla del osciloscopio. Básicamente consta de los siguientes mandos accesibles desde el exterior: Base de tiempos: tiempos: Permite cambiar la escala horizontal (segundos/división horizontal) de visualización de la señal aplicada al osciloscopio. Este cambio de escala puede hacerse de forma discreta, existiendo diversas escalas (10ms/div, 1ms/div,…) o de forma continu a (para ajustar la escala a cualquier valor intermedio entre los distintos valores discretos) mediante un mando de ajuste fino (Vernier) que suele tener indicado en la carátula del osciloscopio una posición de calibrado (CAL). Es muy importante recordar que si este mando de ajuste fino está fuera de la posición de calibrado, la escala horizontal de la señal visualizada no corresponde con la indicada por la base de tiempos. Se recomienda trabajar siempre en posición CAL. En la mayoría de los de l Vernier. osciloscopios esta posición se detecta mediante un “click” en uno de los extremos de giro del 14

Algunos osciloscopios osciloscopios llevan incorporado incorporado en el mismo mando de la base de tiempos el modo de funcionamiento XY. Si este modo de funcionamiento se encuentra seleccionado, en la pantalla del osciloscopio aparecerá representada la señal introducida en el CANAL 2 (eje Y) frente a la señal introducida en el CANAL 1 (eje X). Circuitos de sincronismo La misión de los circuitos de sincronismo del osciloscopio es conseguir reproducir en el tiempo la señal que se desea observar mediante una traza estable en la pantalla. Los principales mandos accesibles desde el exterior para controlar estos circuitos son: 1. Fuente de sincronismo: sincronismo: Se Se trata de un conmutador que permite seleccionar la señal con la que se va a realizar la sincronización de la(s) señal(es) a visualizar en el osciloscopio. Básicamente puede elegirse para realizar la sincronización: la señal aplicada al CANAL 1, la señal aplicada al CANAL 2 o una señal externa de sincronismo. 2. Modo de disparo: disparo: Este mando permite elegir, básicamente, dos modos de disparo para el osciloscopio: NORMAL y AUTO. En el modo AUTO el osciloscopio produce una señal de barrido, aunque no se introduzca ninguna señal de entrada, por lo que siempre aparece traza en la pantalla. Sin embargo, en modo NORMAL el osciloscopio solo generará señal de barrido si se introduce alguna señal de entrada. 3. Nivel de disparo disparo y pendiente de disparo: Fijan disparo: Fijan el nivel de tensión y pendiente con que comienza la señal visualizada en el osciloscopio. El nivel de disparo debe ser inferior al valor de pico de la señal a representar representar para que esta señal quede correctamente sincronizada, es decir, para que se vea una traza estable en la pantalla del osciloscopio. Además a la hora de utilizar el osciloscopio osciloscopio hay que tener en cuenta cuenta otras consideraciones consideraciones importantes: importantes: 1. Como todo equipo electrónico el osciloscopio presenta una impedancia de de entrada (básicamente una resistencia en paralelo con un condensador), por lo que cuando se conecte a un circuito para realizar una medida se conectará esta impedancia al circuito, pudiendo, en algunos casos, producir errores en la medida realizada. 2. Para realizar la conexión al circuito sobre el que se desean realizar las medidas, el osciloscopio dispone dispo ne de dos (una por canal) sondas de tensión. Estas sondas pueden disponer dos posiciones de funcionamiento: X1 y X10. Si la sonda se encuentra en la posición X10 significa que está atenuando 10 veces la señal a la que se encuentra conectada. A la hora de obtener la tensión real en el circuito sobre el que se realiza la medida se pueden dar dos casos: si el osciloscopio tiene un mando de sensibilidad vertical (V/div) para esta posición de la sonda (X10), solo hay que multiplicar la posición de este mando por el número de cuadros verticales que la señal ocupa en pantalla para obtener el valor de tensión que se está midiendo. Pero si el osciloscopio no tiene un mando de sensibilidad vertical explícito para la posición X 10 de la sonda, el valor de tensión real de la señal que se está midiendo es diez veces superior al producto de la posición del mando de sensibilidad vertical por el número de cuadros verticales que la señal ocupa en pantalla. 3. La impedancia de entrada del conjunto osciloscopio + sonda depende de la posición en que se encuentre situada la sonda (X1 ó X10) 4. Las dos sondas del osciloscopio tienen las masas cortocircuitadas, lo que significa que solo pueden medirse simultáneamente dos señales que estén referidas al mismo punto eléctrico del circuito. Para evitar realizar cortocircuitos en los montajes que se realizan en el laboratorio se aconseja que solo se coloque sobre el circuito la masa de una de las sondas. Instrumentación Instrumen tación básica en el

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GENERADOR GENERADOR DE FUNCIONES El generador de funciones es un instrumento que permite generar señales eléctricas variables en el tiempo con diversas formas de onda, amplitud y frecuencia.

La sonda de salida, como la del osciloscopio, tiene también dos terminales, y ambos deben ser conectados ya que estamos aplicando una diferencia de potencial entre ellos. El generador de funciones proporciona señales alternas. Dispone de distintos mandos accesibles desde el exterior que permiten, básicamente, modificar la amplitud, frecuencia, forma de onda y nivel de continua (OFFSET) de la señal alterna que proporcionan. A la hora de de utilizar los generadores generadores de funciones hay que tener tener en cuenta cuenta que: que:

a. La impedancia de salida de todos los generadores de funciones del laboratorio son 50 Ω b. Los generadores de funciones poseen un atenuador que permite obtener señales de salida atenuadas.

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Generador de señales 2. Osciloscopio 16

Configuración inicial inicial de los equipos e quipos Suponiendo que los controles del generador de funciones se encuentran situados como se indica a continuación: a. Onda senoidal b. Frecuencia de 1kHz (1000Hz) c. Nivel de continua (offset) igual a cero d. Amplitud de 4 Vpp Y en el osciloscopio (cuya pantalla tiene 10 divisiones en el eje horizontal y 10 divisiones en el eje vertical) , los controles se encuentran situados de la siguiente forma: 1. Circuito de disparo:  Modo AUTO  Fuente de disparo (Source) en canal 1 (CH1)  Nivel de disparo (Level) en el centro (0V) 2. Amplificador vertical 1:  Acoplo DC  Trazo del canal 1 (CH1) solamente  Raya del canal canal situada en el centro de la pantalla  Escala de 2 voltios por división (para la posición X1 de la sonda)  Sonda en modo de atenuación X1 (si la tiene) 3. Base de tiempos:  1 ms por división. Desarrollo de mediciones 1. Dibuje la señal que que se obtendría en la pantalla del osciloscopio. oscilos copio.

2. Dibuje la señal que se obtendría en la pantalla del osciloscopio si el nivel de offset del generador de funciones fuese de 2V 17

3. Si, en estas condiciones, se sitúa el mando de de acoplo de de la señal de entrada en AC. ¿Cómo sería la señal representada en la pantalla del osciloscopio?

4. ¿Cómo influiría en la señal representada representada en el osciloscopio un cambio de la fuente de disparo del CANAL 1 al CANAL 2? 5. ¿Qué efecto tendría el mover el mando del nivel de disparo del osciloscopio sobre la señal que aparecería aparecería en la pantalla del mismo? 6. ¿En qué posición debería ponerse ponerse el mando de la base de tiempos para ver 5 períodos de una señal señal con frecuencia 100 kHz? 7. Realice las variaciones en la señal entregada por el generador de señales y grafique en cada uno de los casos la forma de onda vista en el osciloscopio. a. Onda triangular. Amplitud: 3 Vpp. Frecuencia: 10 kHz

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b. Onda Cuadrada. Amplitud: 0.1 Vpp. Frecuencia: 100 kHz

c. Onda de señal TTL. Frecuencia: 1 kHz

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POST-LABORATORIO: Emitir las conclusiones respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo.

BIBLIOGRAFÍA 1. Manuales de operación de los diferentes equipos o instrumentos de medición.

DOCENTE RESPONSABLE Ing. Nelly Chacón


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UNIDAD CURRICULAR:

TRAYECTO:

CODIGO:

UNID/CREDITO:

TALLER I

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PRACTICA No. 3 INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y COMPONENTES BÁSICOS Manejo del multímetro OBJETIVOS: 1. Reconocer los equipos e instrumentos empleados en el Laboratorio de Electrónica: fuentes de alimentación CD, el multímetro (voltímetro, amperímetro y óhmetro), y el protoboard (conexiones para realizar circuitos). circuitos ). 2. Estudiar los conceptos de resistencia, resistenc ia, voltaje, corriente.

MARCO TEORICO COMPONENTES COMPONENTES ELECTRÓNICOS ELECTRÓNICOS electrónico a aquel dispositivo que forma parte de un circuito electrónico. Se Se denomina componente electrónico a suele encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito. Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemáticos de la teoría de circuitos.

Clasificación De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comúnmente más aceptadas. 21

1.

Según su estructura física a. Discretos: Discreto s: son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores, etc. b. Integrados: forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados. 2. Según el material base de fabricación. fabricac ión. a. Semiconductores b. No semiconductores. semiconductores . 3. Según su funcionamiento. funcionamien to. a. Activos: proporcionan excitación eléctrica, ganancia o control. b. Pasivos: son los encargados encargados de la conexión entre los diferentes diferentes componentes componentes activos, asegurando asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel. 4. Según el tipo energía. a. Electromagnéticos: Electromagnétic os: aquellos que aprovechan aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales (fundamentalmente transformadores e inductores). b. Electro acústicos: transforman transforman la energía acústica acústica en eléctrica y viceversa (micrófonos, (micrófonos, altavoces, bocinas, auriculares, etc.). c. Opto electrónicos: transforman transfor man la energía luminosa en eléctrica y viceversa (diodos LED, células fotoeléctricas, etc.). Componentes activos Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal. Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del tríodo de Lee de Forest. En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos cuyas características lo condicionará. Esto no sucede con los componentes pasivos. Componentes pasivos Son aquellos que no necesitan una fuente de energía para su correcto funcionamiento. No tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito. Los componentes pasivos se dividen en: Componentes pasivos lineales: Componente Función más común Condensador Almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancia. Inductor o Bobina Almacenar o atenuar el cambio de energía debido a su poder de autoinducción. Resistor o Resistencia División de intensidad o tensión, limitación de intensidad. Resistencia eléctrica La resistencia resistencia eléctrica de eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de corriente.

La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición en

la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro. Su cantidad recíproca es la conductancia, medida en Siemens. 22

La resistencia de cualquier objeto depende de su geometría y de su resistividad, por geometría se entiende a la longitud y el área del objeto mientras que la resistividad es un parámetro que depende del material del objeto y de la temperatura a la cual se encuentra sometido. Esto significa que, dada una temperatura y un material, la resistencia es un valor que se mantendrá constante. Además, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la caída de tensión y la corriente que circula por dicha resistencia, así: R=V/I donde R es es la resistencia en ohmios, V es es la diferencia de potencial en voltios e I es es la intensidad de corriente en amperios. Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductor. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo Códigos y series de las Resistencias

Ejemplo: Si los colores son: ( Marrón Marrón - Negro - Rojo Rojo - Oro ) su valor en ohmios es: 2 1 0 x 10 ± 5 % = 1000 = 1K Tolerancia de 5% 5 bandas de colores: También hay resistencias con 5 bandas de colores, la única diferencia respecto a la tabla anterior, es qué la tercera banda es la 3ª Cifra, el resto sigue igual. Condensador eléctrico Un condensador (en (en inglés, capacitor , nombre por el cual se le conoce frecuentemente frecuentemente en el ámbito de la electrónica y otras ramas de la física aplicada), es un dispositivo pasivo, pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. Aunque desde el punto de vista físico un condensador condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga. 23

Inductor o Bobina bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la Un inductor o bobina es autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético Construcción Un inductor está constituido normalmente por una cabeza hueca de una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético), para incrementar su capacidad de magnetismo.

Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor. MULTIMETRO El multímetro es un instrumento de medición de valores medios (o eficaces en AC) de voltajes, corrientes o resistencias. resistencias.

El multímetro digital o DMM por sus siglas en inglés se utiliza para hacer medidas de resistencia, voltaje, corriente y otras. Al utilizar el DMM se debe seleccionar el tipo de medida (AC, DC, V, I, Ω, etc.), rango (AUTOmático o MANual) y colocar las puntas de prueba en la salidas que corresponden a lo que se va a medir. Para medir resistencia y voltaje las puntas de prueba se conectan de forma paralela al componente. Para medir corriente las puntas de prueba se conectan en serie con el componente. Para medir resistencia resistencia el componente debe aislarse del resto del circuito.

24

Un multímetro es un aparato que permite realizar, fundamentalmente, la medida de corrientes, tensiones y resistencias de un circuito. A la hora de utilizarlo es importante tener en cuenta las siguientes consideraciones: 1. El multímetro dispone de dos bornes de salida salida (una roja o positivo y otra negra o negativo) que deben estar correctamente conectadas según la medida que se desee realizar (tensión, corriente o resistencia). 2. El multímetro tiene varias escalas para los distintos tipos de medida que se pueden realizar. Es importante que sitúe el multímetro en la escala adecuada según el tipo y magnitud de la medida que desee realizar. 3. Si se van a realizar medidas de tensión tensión en el circuito hay que colocar el polímetro polímetro en paralelo con el elemento(s) del circuito cuya tensión se desea medir (funcionamiento como voltímetro). 4. Si se van a medir corrientes en el circuito hay que situar el multímetro en serie en la rama del circuito de la que se desea conocer la corriente que circula, es decir, hay que abrir el circuito en esa rama e intercalar el multímetro correctamente configurado para funcionar como amperímetro (medidor de corriente). 5. La medida de resistencias (funcionamiento como óhmetro) debe hacerse sobre las resistencias ‘aisladas’, es decir, sin conectar al circuito. 6. El multímetro permite la medida de corrientes corriente s y tensiones continuas continuas (modo DC) o alternas (modo AC). 7. En DC el multímetro mide el valor medio de una una señal. Cuando se realizan medidas en alterna el multímetro mide el valor eficaz de una onda de tensión o corriente, pero es importante recordar que, en la mayoría de los multímetro, salvo que lo indiquen, esta medida solo es válida cuando se están midiendo formas de onda sinusoidales a una frecuencia determinada (normalmente 60Hz) para la que él está ‘calibrado’. Para formas

de onda no sinusoidales o a otra frecuencia la medida que se realiza es sólo aproximada. FUENTES DE ALIMENTACIÓN ALIMENTACIÓN

Las fuentes de alimentación proporcionan la tensión continua necesaria para alimentar los montajes que se realizan en el laboratorio. Las fuentes del laboratorio constan, generalmente de una fuente de tensión fija (5V-2A) y dos fuentes de tensión variable (0:30V - 3A). Cada una de estas fuentes tiene tres bornes accesibles desde el exterior: una roja o positivo, otra negra o negativo y otra verde o tierra, conectada al chasis del aparato. Las dos fuentes variables además disponen de distintos modos de funcionamiento:  Modo independiente: Las dos fuentes funcionan de manera completamente independiente.  Modo serie: Las dos fuentes de tensión se colocan colocan en serie. Internamente se realiza un cortocircuito de la borne negativa (negra) de la fuente S1 y de la borne positiva (roja) de la fuente S2 y la tensión que se fija en la fuente S1 queda automáticamente fijada en la fuente S2. 25



Modo paralelo: Las dos fuentes de tensión se colocan en paralelo.

Además de dos mandos de ajuste de tensión (uno de aproximación aproximación y otro de ajuste fino), las dos fuentes variables tienen un mando de limitación de corriente máxima que puede suministrar la fuente: este mando se utiliza para proteger la fuente de alimentación de cortocircuitos fortuitos, se aconseja, por tanto, que compruebe siempre que la posición de este mando se encuentra aproximadamente en la mitad de su recorrido total. El funcionamiento de este limitador de corriente es el siguiente: si la corriente que debe suministrar la fuente es superior a la indicada por este limitador, la tensión proporcionada por la fuente baja hasta que la corriente suministrada suministrada es la indicada por la posición del mando de limitación, es decir, la fuente de alimentación deja de suministrar la tensión adecuada. Si esto le sucediese en algún circuito en el laboratorio, estando el mando de limitación de corriente a la mitad de su recorrido, apague la fuente y compruebe que ha realizado correctamente correctamente el montaje del circuito. PROTOBOARD

El protoboard o panel de montaje se utiliza para construir circuitos eléctricos. Consiste de un panel de plástico con huecos que están interconectados. Al insertar componentes en los huecos se pueden construir circuitos. La forma en que están conectados los huecos puede verse en la figura. Las líneas conocidas como buses están interconectadas de forma horizontal (de acuerdo a la figura). En los bloques del centro las líneas están conectadas de forma vertical. Buenas prácticas para el uso del protoboard: a. Al insertar componentes debe tener cuidado de no forzarlos forzarlo s para evitar que las conexiones internas se dañen. b. Coloque los componentes de forma compacta para reducir interferencias. c. Organice los circuitos de manera similar al diagrama y de ser posible use un código de colores para entender mejor su circuito (ej. rojo para energía y negro para ground). Esto le facilitará la detección de errores cuando los circuitos sean más complejos. d. Utilice los buses para conectar fuentes de voltaje y ground. El ensamble de un prototipo electrónico se hace sobre un elemento llamado protoborad o tablero de prototipos, en este aparato se pueden montar y modificar, fácil y rápidamente, circuitos electrónicos sin necesidad de soldadura y muchas veces, sin herramientas. Una vez el circuito en experimentación está funcionando en forma satisfactoria, puede ser construido de forma definitiva sobre un circuito impreso utilizando soldadura para fijar los componentes.

26

Como se puede observar estos tableros están están formados por una base de plástico que tiene una serie d e perforaciones con una disposición especial. Debajo de estas perforaciones, se encuentran una laminillas metálicas que forman contactos, en donde se unen los diferentes terminales de los componentes del circuito. Estas laminillas se fabrican de un metal flexible de berilio-cobre recubierto con plata-níquel. El recubrimiento impide que los contactos se oxiden y la flexibilidad del metal permite utilizar cables y terminales de diferentes diámetros, sin deformarse. Para hacer las uniones entre puntos distantes de los circuitos se utiliza cable solido calibre 22 (cable telefónico). Las filas de orificios tienen cinco perforaciones que se conectan entre sí en forma vertical, sin embargo entre cada fila no hay contacto. Además, existe un canal central separador cuya distancia es igual a la que existe entre las filas de terminales de los circuitos integrados (0.3”). Esto es con el fin de ubicar sobre dicha

separación todos los integrados que tenga el circuito. Las líneas verticales están unidad a cada lado del canal central, lo que establece dos áreas de conexiones para el circuito. Los contactos de las filas externas, se unen entre sí pero en forma horizontal y reciben el nombre de buses. La mayoría de los protoboard taren dos buses a cada lado y se utilizan, generalmente, para manejar en ellos la alimentación del circuito (positivo y negativo)

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Fuente de tensión continua 2. Multímetro 3. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s de diferentes valores ½ Watt. Evaluacion de concocimientos Indique, marcando con una X, la posición de los mandos básicos del multímetro y dibuje el circuito con el multímetro correctamente situado para medir las magnitudes que se indican:

1. Medida de corriente que circula por R2:

Circuito

2. Medida de caída de tensión en R2:

Circuito

27

3. Medida de valor de resistencia de R1 :

Circuito

Parte práctica Parte 1: Manejo del multímetro Mediciones de resistencia (óhmetro). 1. 2. 3. 4.

Encienda el multímetro y coloque la perilla en ohms. Anote los valores utilizando el código de colores para resistencia. Mida las resistencias con el óhmetro y anote los valores obtenidos en la tabla. Compare el valor nominal con el valor valor medido. Resistencia

Colores

Tolerancia

Valor nominal (ohm)

Valor medido (ohm)

1 2 3 4 5 6 Mediciones de continuidad 1. Utilizando el medidor de continuidad continuidad (buzzer) o en la escala de resistenci resistencia a más baja identifique como está constituido un protoboard. 2. Elabore una respuesta agregando un diagrama. Mediciones de voltaje (voltímetro) 1. Mediciones de voltaje de de corriente directa. Utilice la fuente regulada, ubique las salidas de corriente directa y realice 3 (tres) mediciones diferentes respetando la polaridad. V1 = ___________

V2 = ______________ V3 = _______________

2. Mediciones de voltaje de corriente alterna. Ubique el tomacorriente tomacorrie nte de su mesón de trabajo. Mida el voltaje entre salidas y anote su valor

V12 = _____________ V 13 = ______________ V 23 = _______________ Fase 1, neutro 2, tierra 3 3. Identifique en el contacto cual es la fase, el neutro y la tierra física.

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Mediciones de la intensidad de corriente eléctrica continua (amperímetro) 1. Arme el circuito de la figura en el protoboard. 2. Seleccione la escala de medición adecuada y el selector de CC / CA colóquelo en CC. 3. Mida la corriente que circula por el circuito.

I T = _____________ Ejercitación de mediciones de corriente continua con el e l multímetro A partir de de los siguientes siguientes valores valores de resistencias: resistencias: R1 = __________ R2 = __________ R3 = ________ R4 = ______ R7 = __________ R8 = __________ 1. 2. 3. 4.

R5 = ________ R6 = __________

Obtenga el valor de cada resistencia por medio del código de colores. Obtenga el valor de cada resistencia medido con con el Multímetro. Asigne una etiqueta a cada resistencia, resistenc ia, esto es R1, R2, etc. Arme el circuito de la siguiente figura.

5. Mida el voltaje en cada resistencia. Apunte los valores de voltaje obtenidos para cada resistencia y etiquétalos como VR1, VR2, etc. 6. Asigne la polaridad de cada cada resistencia en el circuito. Recuerde que que el flujo de de corriente va de positivo a negativo (+ a -). 7. Mide la corriente a través de cada resistencia. NOTA: Cuidado, si desconoce la magnitud del parámetro a medir, se debe seleccionar el rango mayor en el Multímetro, e ir disminuyendo la escala a donde se pueda leer el valor de la corriente. 8. Al obtener obtener los valores, etiquételos como IR1, IR1, IR2, etc. Componente

R (Ω) por código

de colores

R (Ω) por óhmetro

Tensión (V)

Corriente (mA)

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 29

POST-LABORATORIO: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Emitir las conclusiones respectiva respectivass y anotarlas en la hoja de trabajo. ¿Por qué crees que un Protoboard es útil para la electrónica? electrónic a? ¿Por qué son útiles los “jumpers” en un circuito montado en Protoboard? ¿Para qué se utilizan las resistencias? ¿Qué significado tiene la tolerancia de una resistencia? ¿Qué diferencia fundamental existe entre el generador AC y una fuente DC?

BIBLIOGRAFÍA 1. Manuales de operación de los diferentes equipos o instrumentos de de medición.



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TALLER I

I

PLTA106

06

PRACTICA 4 LEY DE OHM. PROPIEDADES DE LOS CIRCUITOS DE RESISTENCIAS RESISTENCIAS SERIE SE RIE Y PARALELO OBJETIVOS 1. 2. 3. 4.

Comprobar experimentalmente experimental mente la ley de Ohm. Comprobar experimentalmente la resistencia total (equivalente) en circuitos serie y paralelo. Comprobar experimentalmente que en un circuito serie la corriente es la misma en cualquier punto. Comprobar que la suma de de las corrientes en las distintas ramas de un circuito derivación, es igual a la corriente total en el circuito. MARCO TEÓRICO LEY DE OHM

Cuando se aplica una tensión a un conductor, circula por él una intensidad, de tal forma que si se multiplica (o divide) la tensión aplicada, la intensidad también se multiplica (o divide) por el mismo factor. Del mismo modo, si por un conductor circula una corriente, se generará una tensión entre sus extremos, de forma que si se multiplica (o divide) la intensidad, la tensión generada se multiplicará (o dividirá) en la misma proporción. De esta forma se puede enunciar la LEY DE OHM como: "El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada.". R

se expresa en Ohmios (Ω), I esta expresada en Amperios y V en Voltios. CONEXIÓN DE RESISTENCIAS

En un circuito eléctrico cualquiera, las resistencias pueden conectarse, básicamente, de dos formas: en serie y en paralelo. 1. Conexión en Serie: Un extremo de una de las resistencias se conecta a uno de la siguiente; el extremo libre de esta segunda se conectará a la tercera, y así sucesivamente, quedando libres un extremo de la primera y otro de la última, que serán los puntos finales de conexión al circuito.

31

La intensidad que pasa por el conjunto de resistencias será la misma, puesto que es el "único camino". En cambio, la tensión en los extremos de las resistencias dependerá del valor de cada una de ellas, de acuerdo con la Ley de Ohm (V = I R), y la suma de estas tensiones será la tensión total aplicada al circuito.

Es decir, la Resistencia Equivalente es la suma de las resistencias utilizadas. Su valor siempre será mayor que el de cualquiera de las resistencias individuales. 2. Conexión en Paralelo: Uno de los extremos de todas las resistencias se conectan a un mismo punto; los extremos sobrantes se conectan a otro punto común, que serán los que se conecten al circuito. La tensión que se aplica al conjunto de resistencias será el mismo que se ha aplicado a cada una en particular. Sin embargo, la intensidad que circula por la resistencia equivalente será la suma de las intensidades que pasa por cada una de ellas.

Es decir, la inversa de la Resistencia Equivalente es la suma de las inversas de cada una de las resistencias utilizadas. Su valor siempre será menor que el de cualquiera de las resistencias individuales. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Fuente de tensión continua 2. Multímetro 3. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s ½ Watt de valores : 330 Ω, 470 Ω, 1.2 kΩ, 2.2 kΩ, 3.3 kΩ, 4.7 kΩ, 10 kΩ, 15 kΩ Parte práctica 1. Conectar el circuito de la figura. Comprobar que los instrumentos de medida están correctamente conectados.

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2. Ajustar la fuente de de alimentación a 20 V. Cerrar el interruptor y comprobar en el voltímetro que la tensión en bornes de R sea 20 V. 3. Anotar en la tabla el valor de de la corriente indicada en el amperímetro. 4. Abrir el interruptor y sustituir la resistencia de 3.3 KΩ por otra de 4.7 KΩ. Cerrar el interruptor y medir la corriente anotando su valor en la tabla. Previamente se habrá reajustado la tensión de alimentación a 20 V. Repetir esta operación con los valores de resistencias de 10 KΩ y 15 K Ω.

5. Calcular el valor de la corriente para cada uno de los valores de R utilizados, por p or medio de de la fórmula: I=E/R R (Ω) teórico 3.3 KΩ 4.7 KΩ 10 KΩ 15 KΩ

R (Ω) medido

V (V) 20 20 20 20

I (mA) teórico

I (mA) medido

la resistencia de 3.3 KΩ. 6. Abrir el interruptor y conectar la 7. Ajustar la tensión de alimentación a 0 V. Cerrar el interruptor y anotar anotar el valor de la corriente, para distintos valores de la tensión de alimentación, manteniendo constante el valor de la resistencia. R (Ω) teórico 3.3 KΩ 3.3 KΩ 3.3 KΩ 3.3 KΩ 3.3 KΩ

R (Ω) medido

V (V) 5 7.5 10 15 20

I (mA) teórico

I (mA) medido

8. Utilizando los datos obtenidos, representar gráficamente la variación de la corriente en función de la la tensión, manteniendo constante la resistencia. Sacar conclusiones. ( I = f (V, R 3.3 KΩ ) )

9. Conectar el circuito de la figura. Comprobar que los instrumentos de medida medida están correctamente conectados.

10. Utilizar las resistencias combinándolas en 4 series de 3 resistencias, según se indica en la tabla siguiente. Anotar en dicha dicha tabla los valores valores reales de de las resistencias, la resistencia resistencia total en serie serie y la corriente teórica teórica y medida en el amperímetro. Ajustar la fuente de alimentación a 9 V de tensión en corriente continua. Para los valores teóricos utilizar las fórmulas vistas para los circuitos serie. R1 1.2 K 1.2 K 1.2 K 3.3 K

R (Ω) t R2 4.7 K 4.7 K 330 330

órico R3 470 3.3 K 3.3 K 2.2 K

R (Ω) medido

RT

R1

R2

R3

RT

V (V)

I(mA) teórico

I(mA) medido

9 9 9 9

11. En el montaje realizado con la última serie medir la corriente en los puntos A y B, y anotarla en la siguiente tabla: 33

RT medido

R (Ω) teórico

R1 3.3 K

R2 330

R3 2.2 K

RT

IAB (mA) teórico

V (V)

IAB (mA) medido

9

12. Conectar el circuito c ircuito de la figura figur a Comprobar que los lo s instrumentos de medida medi da están correctamente conectados.

13. Utilizar las resistencias combinándolas en 4 series de 3 resistencias, según se indica en la tabla siguiente. Anotar en dicha dicha tabla los valores reales de de las resistencias, la resistencia resistencia total en paralelo paralelo (entre los los puntos C y D) y la corriente total teórica y medida en el amperímetro. Ajustar la fuente de alimentación a 8 V de tensión en corriente continua. Para los valores teóricos utilizar las fórmulas vistas para el circuito paralelo. R (Ω) teórico

R1 3.3 K 3.3 K 3.3 K 1.2 K

R2 1.2 K 1.2 K 2.2 K 2.2 K

R3 2.2 K 10 K 10 K 10 K

R (Ω) medido

RT

R1

R2

R3

RT

V (V)

I(mA) teori.

I(mA) medi

I1

I(mA) I2

I3

I1

I(mA) I2

I3

8 8 8 8

14. Repetir la operación anterior para una tensión de alimentación de 10 V. R (Ω) teórico

R1 3.3 K 3.3 K 3.3 K 1.2 K

R2 1.2 K 1.2 K 2.2 K 2.2 K

R3 2.2 K 10 K 10 K 10 K

R (Ω) medido

RT

R1

R2

R3

RT

V (V)

I(mA) teori.

I(mA) medi

10 10 10 10

POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 3. De acuerdo al circuito de la figura, conteste las siguientes preguntas

a. ¿Cómo es la corriente IR1 e IR2 en el circuito serie? b. ¿Cómo es el voltaje VR1 y VR2 en el circuito paralelo? c. ¿Qué pasa en en el circuito de serie y paralelo con la corriente Is y las corrientes corriente s IR1, IR3 e IR4?

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BIBLIOGRAFÍA 1. Alexander, Ch., & Sadiku, M. (2006). Fundamentos de circuitos eléctricos (3era. ed.). México: McGraw Hill. 2. Nilsson, J., & Riedel, S. (2005). Circuitos eléctricos (7ma. ed.). Madrid, España: Prentice Hall Hispanoamericana S.A.



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PRACTICA 5 COMPROBACIÓN COMPROBACIÓN DE LAS L AS LEYES DE KIRCHHOFF KIRCHHOFF OBJETIVOS 1. Determinar por cálculo y verificar experimentalmente experimen talmente que la suma de las caídas caídas de tensión entre los extremos de resistencia conectadas en serie en un circuito cerrado es igual a cero. 2. Determi nar por calcul o y verif icar experi mental mente que la corriente que entr a en cual cualqu quie ierr unión (nudo) en un circuito eléctrico es igual que la corriente que sale de él. MARCO TEÓRICO LEYES DE KIRCHHOFF KIRCHHOFF Las leyes de Kirchhoff son una consecuencia directa de las leyes básicas del Electromagnetismo (Ecuaciones de Maxwell), forman la base de la Teoría de Circuitos y de gran parte de la Electrónica. Pueden enunciarse en la forma siguiente: 1. Ley de Kirchhoff Kirchhoff para los nudos nudos o de las corrientes. corrientes. Un nudo en un circuito es un punto en el que confluyen varias corrientes. La suma algebraica de las corrientes que inciden en un nudo, consideradas todas ellas entrantes o todas ellas salientes, es cero (ley de conservación de la carga).

La aplicación de esta ley al nudo de la figura (a) puede expresarse en la forma I1  I 2  I 3  I 4  I 5  0 La consideración de que una corriente es entrante o saliente se hace en principio de una forma totalmente arbitraria, ya que si una corriente I es entrante, se puede sustituir por una corriente -I saliente y viceversa. El sentido real de la corriente dependerá de cuál de los dos signos sea numéricamente el correcto. En el nudo de la figura (b), las corrientes I 3 e I5 se han supuesto salientes, por lo que -I 3 y -I5 serían entrantes. La ley que proporciona en este caso la siguiente expresión: I1  I 2   I 3   I 4   I 5   0 o bien 36

I1

 I 2  I 4  I3  I 5

Por tanto, esta ley se podría enunciar en la forma equivalente: En un nudo, la suma de las corrientes entrantes ha de ser igual a la suma de las salientes. De forma análoga la ley anterior se puede expresar simbólicamente de la forma nudo

 I j  0 j

donde Ij es la corriente que entra por la rama j-ésima. 2. Ley de Kirchhoff Kirchhoff para las mallas mallas o de las tensiones. tensiones. En un circuito cerrado o malla, la suma algebraica de las diferencias de potencial entre los extremos extremos de los diferentes elementos, tomadas todas en el mismo sentido, es cero (ley de conservación de la energía).

La aplicación de esta ley a la malla de la figura anterior puede expresarse matemáticamente en la forma siguiente: (Va - Vb )  (Vb - Vc )  (Vc - Vd )  (Vd - Ve )  (Ve - Va )  0 donde las diferencias de potencial se han tomado en el sentido indicado por la flecha de la corriente de malla I de la figura. Esta ley se puede expresar simbólicamente como: malla

 V  0 i

i

siendo Vi la diferencia de potencial entre los extremos del elemento i-ésimo. Análisis de mallas. Para analizar un circuito como el de la figura a continuación, se supone una corriente para cada malla independiente y se plantea un sistema de ecuaciones lineales con tantas ecuaciones e incógnitas como mallas independientes haya. Para el ejemplo de la figura.

Este circuito tiene dos mallas independientes, por las que se supone que circulan las corrientes I 1 e I2 en el sentido de las agujas del reloj, tal como se indica en la figura. Por el elemento R2 circularán tanto I 1 como I2 en sentidos contrarios, por tanto la corriente real que circula por él es la superposición de ambas: I 1I2. La primera ecuación se obtiene aplicando la ley de Kirchhoff de las tensiones a la primera malla: V1  I1 R1  ( I1  I 2 )R2  I1R3 La segunda ecuación se obtendrá aplicando la misma ley a la segunda malla: V2  I 2 R4  (I 2  I1 )R2 37

Reagrupando términos, se tiene un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas, que son las intensidades de malla, I1 e I2: V1  I1  R1  R2  R3   I 2 R2 V2  I1 R2  I 2  R2  R4  que puede ser expresado en forma matricial como R2   I1   V 1   R1  R2  R3    I     V   R R  R 2 2 4  2    2 A la vista del resultado resultado anterior, el planteamiento planteamiento del sistema se puede sistematizar en la forma siguiente: 1. Se plantean tantas ecuaciones como mallas independientes. Estas ecuaciones pueden expresarse como el producto de una matriz cuadrada de impedancias o resistencias, por una matriz columna de intensidades de malla (incógnitas del sistema), que se iguala a una matriz columna de tensiones (términos independientes). 2. Cada término de la matriz de tensiones (términos independientes del sistema) es la suma de las fuentes de tensión de dicha malla, tomando como positivas las que favorezcan a la corriente y negativas las que se opongan a ella. Los términos de la matriz cuadrada de coeficientes se obtiene de la forma siguiente: 1. Los términos de la diagonal principal son la suma de todos los elementos pasivos (impedancias o resistencias) que tiene la malla. 2. Los que están fuera de la diagonal principal se forman sumando los elementos comunes a las dos mallas relacionadas con ese coeficiente y cambiando la suma de signo. Finalmente, resolviendo el sistema, se obtendrán las corrientes incógnitas. Si se suponen, por ejemplo, que los elementos del circuito anterior tienen los siguientes valores: R1 = 1 KΩ;

R2 = 2 KΩ;

R3 = 3 KΩ;

R4 = 4 KΩ;

V1 = 1 V; V2 = 2 V. Sustituyendo, el sistema de ecuaciones es:  6000 2000   I 1   1   2000 6000       2    I 2    con I1 e I2 en amperios, o bien  6 2   I 1   1   2 6      2     I 2    con I1 e I2 en miliamperios. Este sistema tiene como solución: 1 2 2 6 64 2    0.0625 mA. I 1  6 2 36  4 32 2 6 6

1

2 2 12  4 10    0.3125 mA. 6 2 36  4 32 2 6 I2 ha resultado negativa  El sentido real de I 2 es contrario al representado en la figura. I 1



38

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Fuente de tensión continua 2. Multímetro 3. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s ½ Watt de valores: 330 330 Ω, 470 Ω, 1.2 kΩ, 2.2 kΩ, 3.3 kΩ,10 kΩ, 22 kΩ Parte práctica 1. Conectar el circuito de la figura. Sin encender la fuente de alimentación.

2. Calcular, medir y anotar el valor de la resistencia Req de la combinación en paralelo entre los puntos B y C. 3. Calcular, Calcular , medir y anotar la resistenci resistencia a total RT del circuito comprendido entre los puntos A y D. Req (puntos B-C) Teórico Medido

RT (puntos A-D) Teórico Medido

4. Encender la fuente de alimentación. alimentación. Ajustar la tensión a 10 V. Medir y anotar la tensión total total y la existente en bornes de cada una de las resistencias del circuito. VT

VR1

VR2

VR3

VR4

VR5

Teórico Medido 5. Medir y anotar la corriente corriente total total I T, la corriente I2 y la corriente I 4-5 de las dos ramas en paralelo. ¿Qué relación existe entre la corriente total del circuito (I T) y las corrientes I 2 e I4-5 de la asociación en paralelo? IT

I

2

I

4-5

Teórico Medido 6. Calcular utilizando utilizando la ley de Ohm, la corriente y tensión para para cada una de las resistencias, resistencias, sabiendo sabiendo el valor óhmico de cada una de ellas y la tensión E aplicada al circuito. Comparar en una tabla los valores calculados con los obtenidos en los instrumentos de medida. 7. Conectar el circuito de la figura. Ajustar Ajustar la tensión E a 20 V. Mantener Mantener esta tensión constante constante dura dura nte toda la práctica. 39

8. Medir y anotar en la tabla tabla los valores de la corriente corriente y las tensiones existentes en los extremos de las resistencias del circuito. Calcular la suma de E 1, E2, E3 y E4 que acaban de medirse y compararlo con la tensión E aplicada al circuito. VR1

VR2

VR3

VR4

IT

Teórico Medido 9. Conectar el circuito de la siguiente figura. figura . Ajustar la la tensión E a 20 V.

10. Medir y anotar en una tabla las tensiones E 1, E2, E3, E 4, E5 y E 6 existentes en bornes de R 1, R2, R3, R4, R5 y R6. E1

E2

E3

E4

E5

E6

Teórico Medido 11. Medir y anotar en la tabla el valor de las corrientes I T, I1, I2-3 e I4, en A y después en B. IT

En punto A I1 I2-3

I4

IT

En punto B I1 I2-3

I4

Teórico Medido 12. Calcular utilizando utilizando la ley de Ohm, la corriente y tensión para cada una de las resistencias, sabiendo el valor óhmico de cada una de ellas y la tensión E aplicada al circuito. Comparar en una tabla los valores calculados con los obtenidos en los instrumentos de medida. 13. Efectuar la suma de I 1, I2-3 e I4 y comprobar si es igual a I T (en A y en B). POST-LABORATORIO 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos circuito s vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales exper imentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 40

3. De acuerdo al circuito de la figura, conteste las siguientes preguntas

a. b. c. d.

Compruebe la ley de Kirchhoff de tensiones en el circuito anterior. Compruebe Compruebe la ley de Kirchhoff Kirchhoff de corrientes corrientes en el circuito anterior. anterior. ¿Qué valor debe tener Vx para para que por R4 circule una corriente de 3.5 mA? ¿Qué valor debe debe tener Vx para que por R5 circule una corriente de 3.5 mA?

BIBLIOGRAFÍA 1. Alexander, Ch., & Sadiku, M. (2006). Fundamentos de circuitos eléctricos (3era. (3era . ed.). México: McGraw McGraw Hill. 2. Nilsson, J., & Riedel, S. (2005). Circuitos eléctricos (7ma. ed.). Madrid, España: Prentice Hall Hispanoamericana S.A.



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PRACTICA 6 COMPROBACIÓN DEL TEOREMA DE THEVENIN, TEOREMA DE NORTON, TEOREMA DE MILLMAN Y PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN OBJETIVOS 1. 2. 3. 4. 5.

Corroborar el Teorema de Thevenin por medio de un circuito mixto. Corroborar el Teorema de Norton por medio de un circuito mixto. Medir la tensión y la resistencia equivalente de Thevenin y la corriente de Norton Norton en un un circuito mixto. Corroborar el Teorema de Millman por por medio de un un circuito mixto. Corroborar el Principio de Superposición por medio de un circuito mixto. MARCO TEÓRICO TEOREMA DE THEVENIN Y TEOREMA DE NORTON

Un circuito complejo se puede reducir a un circuito equivalente simple aplicando los teoremas de Thevenin o Norton. 1. Teorema de Thevenin Expresa que cualquier circuito de DC de dos terminales, sin importar que tan complejo sea, se puede reemplazar por un circuito en serie equivalente que consiste en una fuente de tensión Eth en serie con una resistencia Rth.

2. Teorema de Norton Expresa que cualquier circuito de DC de dos terminales puede sustituirse por un circuito en paralelo equivalente que consista en una fuente de corriente In en paralelo con una resistencia Rn.

Para estos dos teoremas se debe tener en cuenta que la resistencia equivalente de Thevenin es igual a la de Norton. 42

TEOREMA DE MILLMAN El teorema de Millman se s e utiliza cuando en un circuito se s e tienen varias fuentes de voltaje conectadas en paralelo. Este teorema plantea que cualquier red con fuentes de voltaje en paralelo puede reducirse a un circuito equivalente equivalente con una fuente f uente de voltaje en serie con una resistencia, como se muestra en la figura

Si se tienen un conjunto de resistencias conectadas en estrella a un punto A, de modo que sean conocidas las tensiones entre los extremos de cada una de las resistencias y un punto B, es posible hallar la tensión vAB

43

PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN SUPERPOSICIÓN Cuando hay más de una fuente de energía en un circuito o trayectoria (malla) la corriente será afectada por cada una de las fuentes. En estos casos puede aprovecharse el hecho de que la corriente en cualquier punto es la suma de las corrientes producidas por cada una de las fuentes de energía. Por lo tanto, se puede calcular la corriente que existiría si solo se tuviera una fuente de energía y se hace esto para cada una de las fuentes; la suma de estas será la corriente total que se tendrá si todas las fuentes actúan simultáneamente en el circuito. A esto se le llama principio de superposición. superposición. En general, el teorema de superposición establece que para un circuito lineal que contenga más de una fuente de voltaje, la corriente en cualquier elemento del circuito es la suma algebraica de las corrientes producidas por cada fuente de voltaje activa por separado. Así, también el voltaje a través de cualquier elemento es la suma algebraica de los voltajes producidos por cada fuente de voltaje activa por separado. 1. 2. 3. 4.

Deben darse cuatro pasos para aplicar el principio: Con un corto circuito sustituir todas las fuentes de energía excepto una y suponer un sentido de flujo de corriente Calcular la o las corrientes con esa fuente en el circuito Sucesivamente hacer lo mismo para para cada una una de las demás fuentes de energía en el circuito. Sumar las corrientes que se han determinado. Las corrientes corriente s en el sentido de corriente supuesta originalmente son positivas. Las de sentido opuesto son negativas. Si la corriente total resulta negativa, el sentido supuesto es el erróneo.

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Fuente de tensión continua 2. Multímetro 3. Protoboard Materiales: 1. Resistencias ½ Watt de valores: 330 Ω, 470 Ω, 1.2 kΩ, 2.2 kΩ, 3.3 kΩ,10 kΩ, 22 kΩ Parte práctica 1. Considere el circuito circuito de la la figura

2. Verifique el valor de las resistencias de forma teórica y determine determine su valor de forma experimental. Anota sus resultados en la tabla 44

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7

R (Ω)

R (Ω)

Valor teórico 15K 10K 2.2K 8.2K 3.9K 9.1K 1.5K

Valor experimental

3. Para el circuito anterior determine teóricamente la tensión y corriente que circula por la resistencia de carga RL = R7. Para tal efecto determine el equivalente de Thevenin y el equivalente de Norton vistos desde las terminales de la resistencia de carga (terminales A y B). Anote sus resultados en la tabla. Parámetro

Valor teórico

Valor experimental

Rth (Ω)

Eth (V) In (mA) ERL (V) IRL ( mA) 4. Realice el montaje del circuito anterior y determine experimentalmente la tensión y corriente que circula por la resistencia de carga. Anote sus resultados en la tabla anterior. Comprobación del Teorema de Thevenin y Teorema T eorema de Norton 5. Con el circuito montado en la la protoboard retire la resistencia de carga y mida la resistencia resistencia equivalente para Thevenin vista por los terminales A y B (no olvide sustituir la fuente de tensión por un corto circuito). Anote la medición en la tabla. 6. Conecte la fuente de alimentación nuevamente y mida la tensión equivalente de Thevenin vista desde terminales A y B (tensión de circuito abierto). Anote la medición en la tabla. 7. Mida la corriente de Norton entre los terminales A y B (corriente de corto circuito). Se puede puede medir cortocircuitando los bornes AB utilizando el multímetro en función amperímetro. Anote la medición en la tabla. 8. Por medio de una resistencia variable calibrada al valor de la Rth monte el circuito equiva lente de Thevenin Thevenin y corrobore las mediciones de E RL e IRL. ¿Concuerdan los valores calculados con los obtenidos experimentalmente para el caso del E TH y de RTH? Comente su respuesta. Comprobación del Teorema de Millman Millman 1. Para el circuito circuito de la la figura, analizarlo analizarlo utilizando utilizando el Teorema de Millman.

a. Convierta las fuentes fu entes de voltaje a fuentes f uentes de corriente. Dibuje el circuito e indique los valores de cada elemento. b. Obtenga Obtenga el valor de la fuente de corriente equivalente y la resistencia re sistencia equivalente. equivalente. Dibuje el circuito e indique los valores de cada elemento. c. Convierta la fuente fuente de corriente a fuente de voltaje. Dibuje el circuito circuito equivalente equivalente de Millman e indique 45

los valores de cada elemento. d. Con el circuito resultante calcule l a corriente y voltaje en la resistencia de 270Ω y registre esta información en la primera columna de la tabla. 2. Construya el circuito de la figura anterior. vo ltaje a través de la resistencia de 270Ω, registre esta inf ormación 3. Mida la corriente y el voltaje ormación en la segunda columna. 4. Construya el circuito equivalente de Millman obtenido en el paso 1(c) conectado a la resistencia de 270Ω, registre esta información en la tercera columna, puede utilizar arreglos de resistencias para obtener el valor de la resistencia equivalente. Valores calculados

Valores medidos Valores medidos del circuito del circuito original equivalente

VR = 270 Ω (Volt) IR = 270 Ω( mA) Comprobación del Principio de Superposición 9. Para el circuito circuito de la la figura. figura.

10. Mida los valores reales de los resistores a utilizar. Resistencia R1 R2 R3

Valor teórico

Valor experimental

330 Ω 220 Ω 680 Ω

11. Realice el montaje del circuito. 12. Sustituya la fuente Vy por un cortocircuito, mida con el multímetro el voltaje sobre R2. 13. Sustituya la fuente Vx por un cortocircuito, mida con el multímetro el voltaje sobre R2. 14. Con ambas fuentes encendidas mida con el multímetro el voltaje sobre R2. Fuente Vy OFF Vx OFF Vx Vy ON

VR2(V) teórico

V R2( V) experimental

15. En la aplicación del Principio de Superposición, ¿es importante tener en cuenta el signo de polaridad al registrar la corriente?, ¿Por qué? Escriba sus comentarios y posibles causas de error en las medidas. POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 46

BIBLIOGRAFÍA 1. Alexander, Ch., & Sadiku, M. (2006). Fundamentos de circuitos eléctricos (3era. ed.). México: McGraw McGraw Hill. 2. Nilsson, J., & Riedel, S. (2005). Circuitos eléctricos (7ma. ed.). Madrid, España: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. DOCENTE RESPONSABLE Ing. Nelly Chacón

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PRÁCTICA 7 RESPUESTA EN RÉGIMEN TRANSITORIO DE CIRCUITOS RL , RC Y RLC OBJETIVOS 1. Deducir experimentalmente los distintos parámetros parámet ros que rigen la la respuesta transitoria transitor ia en en circuitos de primer orden 2. Deducir experimentalmente los distintos parámetros que rigen la respuesta transitoria en circuitos segundo orden MARCO TEÓRICO CORRIENTE ALTERNA EN UNA RESISTENCIA La caída de tensión tensión a través de la resistencia será: V R = I · R

en este caso la intensidad será máxima cuando el sen ωt = 1 y tendremos I máx= V/R por lo tanto: I = Imax · sen ωt

Debe observarse que la corriente que circula por la resistencia está en fase con la tensión aplicada. La intensidad eficaz que circula por la resistencia será:

CORRIENTE CORRIENTE ALTERNA EN BOBINAS Y CONDENSADORES 1. Bobinas: La bobina presenta oposición al paso de la corriente eléctrica y ésta será reactiva inductiva, no es de carácter electrostático, sino de carácter electromagnético. Una bobina inducirá en sus extremos (debido a su autoinducción) una tensión que se opondrá a la tensión que se le aplique, al menos durante unos instantes. Ello provoca que no pueda circular corriente libremente. Cuanto mayor sea la velocidad de variación de la 48

tensión aplicada mayor valor tendrá la tensión inducida en la bobina y, consecuentemente, menor corriente podrá circular por ella. Así, a mayor frecuencia de la tensión aplicada mayor será la reactancia de l a bobina y, a la inversa, a menor frecuencia de la tensión aplicada menor será la reactancia de la bobina. Si se tiene el siguiente circuito circuito

Analizando un estudio similar al desarrollado desarrollado en el el circuito resistivo, aplicando aplicando las reglas de mallas mallas de Kirchhoff se obtiene: 0 = e – V además, i = IMAX · cos ωt donde V es el valor de la fuerza electromotriz de la bobina. Partiendo de: pero R = 0;

entonces, para sen ωt = -1, este resultado muestra que la caída de tensión en una bobina adelanta a la corriente en 90º. 2. Condensadores: El condensador, en corriente alterna presenta una oposición reactancia capacitiva al paso de la corriente alterna. Cuando el condensador está totalmente descargado se comporta como un cortocircuito. Cuando está totalmente cargado como una resistencia de valor infinito. Para valores intermedios de carga se comportará como una resistencia de valor intermedio, limitando la corriente a un determinado valor. Como en corriente alterna el condensador está continuamente cargándose y descargándose, mientras más lentamente varíe la tensión (frecuencia baja) más tiempo estará el condensador en estado de casi carga que en estado de casi descarga, con lo que presentará una oposición de media a alta al paso de la corriente. Para variaciones rápidas de la tensión (frecuencias altas) el efecto será el contrario y por tanto presentará una oposición baja al paso de la corriente. Podemos decir, por tanto, que la naturaleza de este tipo de oposición es de carácter electrostático: la carga almacenada en el condensador se opone a que éste siga cargándose y esta oposición será mayor cuanto más carga acumule el condensador. Para el caso concreto de los condensadores el estudio es muy similar al realizado para las bobinas. Para este estudio se considera el circuito:

Aplicando las las reglas de mallas de Kirchhoff Kirchhoff se obtiene: obtiene: 0 = e – V, además; i = IMAX · cos ωt donde V es el valor de la fuerza electromotriz del condensador. 49

Repitiendo los cálculos anteriores para el circuito se llega la siguiente expresión: despejando; así para para obtener obtener la intensidad: para sen ωt = 1. A sí pues la caída de tensión en un condensador está retrasada respecto a la corriente en 90º.

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Fuente de tensión continua 2. Generador de señales 3. Osciloscopio 4. Multímetro 5. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s ½ Watt de valores: 1k Ω, 2 kΩ, 2.7 kΩ, 3.3 kΩ, 6.8 kΩ 2. Condensadores cerámicos: 0.001 μF, 0.047 μF, 0.22 μF 3. Bobinas: 0.011 H Parte práctica Medición de módulos en circuitos R, RC, RL 1. Monte el siguiente circuito: V1 = 10 Volt Volt (Fuente DC) ; R1 = 2.7 KΩ , R2 = 6.8 KΩ R1

V1

R2

2. Verifique la tensión V1 con el voltímetro. Mida la corriente I y las tensiones VR1 y VR2 con el multímetro 3. Compare los resultados con los teóricos I (mA)

VR1 (V)

VR2 (V)

Teórico Medido 4. Monte el siguiente circuito a) V = 5 VRMS (Generador de señales); R1 = 3.3 KΩ; C = 0.1 µF; f = 1kHz. R1

C V

50

5. Verifique el módulo de la tensión V con el multímetro. Mida el módulo de la corriente I, VR1 y Vc con el multímetro I (mA)

VR1 (V)

Vc (V)

Teórico Medido 6. Calcule el módulo de Zc con los resultados obtenidos 7. Construya el diagrama fasorial del circuito tomando como referencia la la corriente I 8. Monte el siguiente circuito 0.011 H ; f = 10 KHz. V = 3 VRMS (Generador de señales) ; R1 = 1 KΩ ; L = 0.011 R1

L

V

9. Verifique el módulo de la tensión V con el multímetro. Mida el módulo de la corriente I, VR1 y VL con con el multímetro I (mA) VR1 (V) VL(V) Teórico Medido 10. Calcule el módulo de ZL con los resultados obtenidos 11. Construya el diagrama fasorial del circuito tomando como referencia la corriente I Medición de diferencia de fase 12. Monte el siguiente circuito f = 4 KHz ; R = 2 KΩ ; C = 0.2 µF ; V = 5 V RMS R

V C

13. Determine la diferencia de fase entre las señales que aparecen en la pantalla del osciloscopio utilizando la escala horizontal de tiempo 14. Determine Determine la diferencia diferencia de fase de las señales anteriores anteriores por el método de la elipse. 15. Monte el siguiente circuito f = 5 KHz ; Rm = 1% de XL ; L = 0.011 H ; V = 1 V RMS

51

Rm

A B L

V

C

16. Lleve la tierra del ORC al punto (A), en el punto (B) coloque el canal (A) y en el punto (C) el canal (B). Tome nota de las ondas con magnitudes y desfasajes. 17. Cambien la tierra del ORC al punto (B), el canal (A) colóquelo en el punto (A) y tome nota de lo observado. Compare los resultados y concluya. 18. Cambien la reactancia inductiva por una capacitiva de valor C = 0.1 µF. Repita el procedimiento. p rocedimiento. 19. Cambien la reactancia capacitiva por una resistencia de valor R = 1 KΩ. Repita el procedimiento. 20. Monte el siguiente circuito: V = 5 VRMS ; f = 5 KHz ; L = 0.011 H ; C = 0.001 µF ; R = 1 KΩ ; Rm = 1% de Z TOTAL Rm

1

2 R

V

3 C

4

L

5

21. Coloque la tierra t ierra Del ORC O RC en el punto 1, 1 , y el canal (B) en el punto punt o 2. Luego el canal (A) llévelo lléve lo sucesivamente a los puntos 3, 4 y 5. Mida las magnitudes y desfasajes tomando como referencia el canal (B). 22. Cambia la tierra al punto 2 y el canal (B) al punto 1, luego el canal (A) llévelo sucesivamente sucesivamente a los puntos 3, 4 y 5. Mida las magnitudes y desfasajes tomando como referencia el canal (B). Compare los resultados y concluya. 23. Conecte la tierra Del ORC en el punto 4, y lleve el canal (A) al punto 3 y el (B) al 5. Tome nota de las magnitudes y desfasajes tomando como referencia el canal (A). 24. Cambia la tierra al punto 3, y el canal (A) al punto 4 y el (B) al 5. Tome nota de las magnitudes magnitudes y desfasajes tomando como referencia el canal (A).

POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos circuito s vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta.

52

BIBLIOGRAFÍA 3. Alexander, Ch., & Sadiku, M. (2006). Fundamentos de circuitos eléctricos (3era. ed.). México: McGraw Hill. 4. Nilsson, J., & Riedel, S. (2005). Circuitos eléctricos (7ma. ed.). Madrid, España: Prentice Hall Hispanoamericana S.A.


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PRÁCTICA 8 ESTUDIO DEL DIODO DE UNIÓN Y DEL DIODO ZENER OBJETIVOS 1. Comprobar el estado de un diodo diodo semiconductor e identificar el cátodo (zona N) y el ánodo (zona P). 2. Realizar un circuito eléctrico con un diodo y comprobar comprobar prácticamente su comportamiento ante la tensión y su polaridad. 3. Comprobar la curva característica Tensión-Corriente Tensión-Cor riente de un diodo. 4. Estudiar punto a punto la relación Tensión-Intensidad Tensión-Inten sidad de los diodos Zener. 5. Verificar Verifica r el comportamiento de los diodos Zener como reguladores de tensión. MARCO TEÓRICO DIODO DE UNION Un diodo semiconductor de estado sólido es un componente electrónico fabricado a partir de un material base semiconductor sobre el que se difunde una unión P-N. El terminal correspondiente a la zona P se denomina ánodo (A) y el correspondiente a la zona N, cátodo (K). En la figura 1 queda reflejada la constitución de una unión P-N, el símbolo genérico utilizado para representar un diodo, así como la característica I-V del mismo. Se fabrican en versiones de silicio y de germanio. En esta ocasión el cátodo está dopado con sustancias que exceden los 4 electrones de última capa del Ge o el Si, por lo que sería el cristal N, negativo, y el ánodo el cristal P, ya que se dopa con elementos químicos que tienen menos de 4 electrones. Entre ambos se genera una "barrera de potencial" que es la que coadyuva a la circulación en un sentido, mas no en el otro, de las cargas.

El Diodo puede funcionar de 2 maneras diferentes: 1. Polarización directa: –) de la batería se encuentra conectado al cátodo “K” y el polo positivo positivo (+) al ánodo “A” El polo negativo ( –) 54

del diodo. Esta conexión permite que la corriente de electrones que suministra la batería o fuente de fuerza electromotriz electromot riz pueda circular en el sentido que indican las flechas.

El movimiento de los electrones desplazándose desde la parte negativa del diodo para recombinarse con los huecos en la parte positiva después de atravesar el empalme "p -n" o barrera de potencial, permite que la corriente electrónica fluya a través del mismo, siempre y cuando se encuentre polarizado directamente. Si bajo esas condiciones se conecta un miliamperímetro y un consumidor al circuito del diodo, se podrá apreciar que el instrumento de medición registra la circulación de corriente eléctrica. 2. Polarización inversa: inversa: Un diodo energizado en “polarización inversa”, como se puede observar, el polo positivo de la batería se encuentra conectado al cátodo “K” y el polo negativo al ánodo “A”. Esta conexió n impide que la corriente de

electrones que suministra la batería u otra fuente de fuerza electromotriz puedan circular en el sentido que indican las flechas y atravesar el diodo, por lo que no se puede completar el circuito eléctrico. Un diodo polarizado de forma inversa impide que la corriente eléctrica pueda fluir en sentido contrario, por lo que no puede atravesarlo, ni completarse tampoco la circulación de corriente a través del circuito.

Consideraciones generales 1. Para la verificación del normal funcionamiento de un diodo se realiza una prueba con un óhmetro, previa identificación de la polaridad de las puntas de prueba. En sentido directo la resistencia media es del orden de (10 a 30) Ω; con polarización inversa se pueden observar lecturas de (200 a 300) KΩ para el germanio y de varios MΩ para el silicio. El óhmetro ha de proporcionar suficiente intensidad para polarizar el diodo,

2. 3. 4. 5.

siendo preferible la utilización de multímetros multímetros analógicos. analógicos. En el diseño de circuitos habrá que seleccionar un tipo de diodo cuya tensión máxima aplicable en sentido inverso (VRmáx) sea mayor (del orden de tres veces) que la máxima que se espere aplicarle en su funcionamiento. El circuito exterior debe limitar la intensidad IF, ya que ha de ser inferior a la I Fmáx indicada por el fabricante. La potencia disipada por el componente es conveniente limitarla a la mitad de la potencia nominal. Toda disipación de potencia genera calor, aumento de temperatura, lo que provoca el aumento de la corriente inversa. El diodo de germanio se utiliza en detección de de bajas señales, el diodo de silicio se utiliza en el resto de los casos.

Los diodos rectificadores se especifican por su máxima capacidad de corriente en condiciones de polarización directa y de voltaje en condiciones de polarización inversa. El diodo 1N4001, por ejemplo, es de 50V/1A. Esto significa que puede soportar hasta 50V con polarización inversa o hasta 1 A con polarización directa. Cuando el voltaje o la corriente, bajo estas condiciones, exceden los valores especificados, el diodo se destruye. Como regla, practica, estos valores pueden escogerse de modo que sean, por lo menos, el doble de los valores máximos utilizados en el circuito. Comprobación del estado de un diodo 1. Con el multímetro preparado para medir ohmios, colocar sus puntas de prueba sobre los extremos de un diodo y anotar el resultado de la medición. 2. Seguidamente repetir la medida, intercambiando las puntas del multímetro, para averig averiguar uar la resistencia directa (baja) y la resistencia inversa (alta). 55

3. En el caso de que, en las dos mediciones, mediciones, se obtenga una resistencia baja o nula, nula, el diodo estará en cortocircuito (defectuoso). Si la resistencia en ambas medidas es alta, el diodo se encuentra a circuito abierto (defectuoso). 4. Para identificar los terminales de un diodo con el multímetro analógico, colocar las puntas de prueba prueba sobre sus extremos, de tal manera que la resistencia resistencia que indique el instrumento instrumento sea baja (polarización directa). El El extremo del diodo conectado a la punta roja (por la que sale el negativo de la pila interna del multímetro analógico) corresponde al cátodo o zona N, mientras que el conectado a la punta negra (positivo de la pila interna) es el ánodo o zona P.

DIODO ZENER El diodo Zener, cuyas características en polarización directa son análogas a las del diodo de unión estudiado en el diodo unión, pero que en polarización inversa se comporta de manera distinta. El símbolo circuital se muestra en la figura y su característica característica tensión-corriente tensión-corriente en la figura.

Cuando el diodo esta polarizado inversamente, una pequeña corriente circula por él, llamada corriente de saturación Is, esta corriente permanece relativamente constante mientras se aumenta la tensión inversa hasta que el valor de ésta alcanza Vz, llamada tensión Zener (que no es la tensión de ruptura zener), para la cual el diodo entra en la región de colapso. La corriente empieza a incrementarse rápidamente por el efecto avalancha. En esta región pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. El diodo Zener mantiene la tensión prácticamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa. Obviamente, hay un drástico cambio de la resistencia efectiva de la unión PN. Si ahora se disminuye la tensión inversa se volverá a restaurar la corriente de saturación Is, cuando la tensión inversa sea menor que la tensión Zener. El diodo podrá cambiar de una zona a la otra en ambos sentidos sin que para ello el diodo resulte dañado, esto es lo que lo diferencia de un diodo de unión y es lo que le da al diodo zener su característica especial. El progresivo aumento de la polarización inversa hace crecer el nivel de corriente y no debe sobrepasarse un determinado nivel de tensión especificado por el fabricante pues en caso contrario se dañaría el diodo, además siempre se debe tener en cuenta la máxima potencia que puede disipar el diodo y trabajar siempre en la región de seguridad. Caracterización del Zener El diodo zener viene caracterizado por: 1. Tensión Zener Vz. 2. Rango de tolerancia de Vz. (Tolerancia: C: ±5%) ±5%) 3. Máxima corriente Zener en polarización inversa Iz. 4. Máxima potencia disipada. 5. Máxima temperatura de operación del zener. 56

Regulador Zener. Una de las aplicaciones más usuales de los diodos Zener es su utilización como reguladores de tensión. La figura muestra el circuito de un diodo usado como regulador. Este circuito se diseña de tal forma que el diodo Zener opere en la región de ruptura, aproximándose así a una fuente ideal de tensión. El diodo Zener está en paralelo con una resistencia de carga R L y se encarga de mantener constante la tensión entre los extremos de la resistencia de carga (Vout = V Z), dentro de unos límites requeridos en el diseño, a pesar de los cambios que se puedan producir en la fuente de tensión V AA, y en la corriente de carga I L.

Se analiza a continuación el funcionamiento del circuito. Si se considera primero la operación del circuito cuando la fuente de tensión proporciona un valor V AA constante pero la corriente de carga varia. Las corrientes IL = VZ/RL e IZ están ligadas a través de la ecuación: IT = IL + IZ y para las tensiones: V AA = IT · R + VZ = VR + VZ Por lo tanto, si V AA y VZ permanecen constantes, V R debe de serlo también (V R = IT · R). De esta forma la corriente total I T queda fijada a pesar de las variaciones de la corriente de carga. Esto lleva a la conclusión de que si I L aumenta, IZ disminuye y viceversa. En consecuencia V Z no permanecerá absolutamente constante, variará muy poco debido a los cambios de I Z que se producen para compensar los cambios de I L. Si ahora lo que permanece constante es la corriente de carga y la fuente de tensión V AA varía, un aumento de ésta produce un aumento de I T y por tanto de I Z pues IL permanece constante, y lo contrario si se produjera una disminución de V AA. Tendríamos lo mismo que antes, una tensión de salida prácticamente constante, las pequeñas variaciones se producirían por las variaciones de I Z para compensar las variaciones de V AA. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Fuente de tensión continua 2. Multímetro 3. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s ½ Watt de valores: 180 Ω, 220 Ω, 680 Ω, 1 kΩ 2. Potenciómetro 1 kΩ 3. Diodos: Diodo unión: 1N4007, 1N34A. Diodo zener: NTE138 Parte práctica Parte 1: Diodo unión Características eléctricas del diodo unión 57

1. A partir de los diodos 1N4007 y 1N34A, con con ayuda de la hoja de datos del fabricante (DATASHEET), establezca los datos más característicos del componente. 1N4007

1N34A

Tipo (Ge/Si) Intensidad directa máx (I Fmax) Tensión umbral (VD) Tensión Inversa máx. de pico de trabajo (V RWM) Tensión Inversa máx. de pico repetitiva (V RRM) Intensidad máx. de pico no repetitivo (I F s max) Potencia máx. Disipable (P tot max.) Comprobación del estado de un diodo unión 2. Con el multímetro preparado para medir ohmios, colocar sus puntas de prueba sobre los extremos de un diodo y anotar el resultado de la medición. Seguidamente repetir la medida, intercambiando las puntas del multímetro, para averiguar la resistencia directa (baja) y la resistencia inversa (alta). Registrar los resultados. Diodo 1N4007

Diodo 1N34A

Resistencia directa Resistencia inversa 3. Dibuje la estructura del mismo identificando cuales son los terminales correspond ientes al ánodo y al cátodo. SIMBOLOGÍA ENCAPSULADO Diodo 1N4007 Diodo 1N34A Comportamiento Comportamiento del diodo unión polarizado directamente 4. Realizar el montaje del circuito eléctrico de la figura y rellenar los valores de de las tensiones tensiones y la intensidad intensidad que se indican en la tabla. Las comprobaciones se realizarán, primero, con el diodo 1N34A y, posteriormente, posteriormente, con el de silicio 1N4007. D

E 5Vdc R 180

Diodo 1N4007

Diodo 1N34A

VR VDIODO IDC 58

Comportamiento Comportamiento del diodo unión polarizado inversamente 5. Para el circuito anterior, cambiar los polos de la alimentación y rellenar los valores de la tabla. Diodo 1N4007

Diodo 1N34A

VR1 VDIODO IDC 6. Observe las diferencias entre los valores obtenidos con el diodo de germanio y el de de silicio. Establezca conclusiones. Curva característica de un diodo unión 7. Para el circuito de la figura, regular P1 para que Ve sea lo más próximo a 0 V; luego completar completar la tabla siguiente:

Ve (V) Id (mA) VD1 (V) VR1 (V)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,5

2,0

3,0

8,0

9,0

Id = intensidad de corriente continua en el circuito. VD1 = tensión en los extremos del diodo. VR1 = tensión entre los bornes de la resistencia. 8. Cambiar los terminales del diodo (polarización (polarizac ión inversa) inversa) y completar la tabla Ve (V) Id (mA) VD1 (V) VR1 (V)

0,0

1,0

2,0

4,0

6,0

7,0

7,5

9. Con los datos de las tablas anteriores construir la gráfica I-V del diodo (VD1) (eje vertical: Id, eje horizontal: horizontal: VD1). Parte 2: Diodo Zener Características eléctricas del diodo Zener 10. A partir del diodo NTE138, y con ayuda de la hoja de datos del fabricante (DATASHEET), establezca los datos más característicos del componente. NTE138 Tensión nominal Zener Corriente nominal Zener Potencia nominal Zener 59

Curva característica de un diodo Zener 11. Para el circuito de la figura, regular P1 para que Ve sea lo más próximo a 0 V; luego completar la tabla siguiente:

Ve (V) Id (mA) VD1 (V) VR1 (V)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,5

2,0

3,0

8,0

9,0

Id = intensidad de corriente continua en el circuito. VD1 = tensión en los extremos del diodo. VR1 = tensión entre los bornes de la resistencia. 12. Cambiar los terminales del diodo (polarización inversa) y completar la tabla Ve (V) Id (mA) VD1 (V) VR1 (V)

0,0

1,0

2,0

4,0

6,0

7,0

7,5

13. Con los datos de las tablas anteriores construir la gráfica I-V del diodo (VD1) (eje vertical: Id, eje horizontal: VD1). Regulador de tensión. 14. Montar el circuito de la figura (R = 220

 ;

RL = 680  Emin = 6 Vol. Emax = 14 Volt)

15. Comprobar que el diodo zener se comporta como un regulador de tensión, mantenimiento la carga R L constante y variando la fuente E desde un valor mínimo de 6 V a un valor máximo de 14 V. Llenar la siguiente tabla: Ve (V) Vz (V) Iz (mA)

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

12,5

13,0

14,0

60

POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos circuito s vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales expe rimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 3. Responda las siguientes preguntas: a. ¿Un diodo es un elemento bi-direccional? b. ¿Qué diferencias encuentra entre un diodo y una resistencia?

BIBLIOGRAFÍA 1. Boylestad, R., & Nashelsky, L. (1997). Electrónica: Teoría de circuitos (6ta. ed.). México: México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. 2. Malvino, A. (2000). Principios de electrónica (6ta. ed.). España: McGraw-Hill McGraw -Hill Interamericana. 3. Savant, C., Roden, M., & Carpenter, G. (2000). Diseño electrónico. Circuitos y sistemas (3era. ed.). ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. DOCENTE RESPONSABLE Ing. Nelly Chacón


61




UNIDAD CURRICULAR:

TRAYECTO:

CODIGO:

UNID/CREDITO:

TALLER I

I

PLTA106

06

PRÁCTICA 9 RECTIFICADORES RECTIFICADORES DE TENSION CON DIODOS OBJETIVOS 1. 2. 3. 4. 5.

Medir el voltaje y la corriente de salida salida de un rectificador de media onda. Observar en un osciloscopio las formas de onda de un rectificador de media onda. Medir el voltaje y corriente de un rectificador rectificado r de onda completa con dos diodos. Observar en un osciloscopio las formas de onda de un rectificador de onda onda completa con dos diodos. Observar en un osciloscopio las formas de onda de voltaje de salida de un rectificador rectificado r de onda completa tipo puente con y sin f iltro. 6. Medir la amplitud del voltaje de rizado de un rectificador de onda completa tipo puente para para distintos valores del condensador filtro. MARCO TEÓRICO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA La forma más sencilla de convertir corriente alterna en corriente directa es utilizando un rectificador de media onda, como el mostrado en la figura

En este caso, durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada aplicada al primario del transformador, el secundario tiene una tensión positiva entre sus extremos. Por tanto, el diodo queda polarizado directamente, permitiendo la circulación de corriente hacia la carga.

62

Descripción del funcionamiento: 1. Polarización Polarizació n del diodo en sentido directo, durante el semiciclo positivo el diodo queda polarizado en directo, permitiendo permitiendo el paso de la corriente a través de él.

2. Polarización Polarizació n del diodo en sentido sentido inverso. Durante el semiciclo negativo, la corriente entregada por el transformador querrá circular en sentido opuesto a la flecha del diodo. Si el diodo es considerado ideal entonces este actúa como un circuito abierto y no habrá flujo de corriente.

El voltaje de CD obtenido a la salida de un rectificador de media onda tiene una frecuencia (f) igual a la de la tensión de la red, es decir 50 o 60 Hz, y una amplitud igual al valor pico (Vp) de la tensión en el secundario. Si se conecta un voltímetro de CD entre los extremos de la carga, el mismo proporcionará una lectura (VCD) igual al valor medio de la tensión de salida. Para una señal de media onda, este valor esta dado por:

RECTIFICADOR RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TRANSFORMADOR DE TOMA INTERMEDIA En este tipo de rectificador necesita un transformador con derivación central. La derivación central es una conexión adicional en él la bobina del secundario del transformador, que divide la tensión (voltaje) en este bobinado de dos voltaje iguales. Esta conexión adicional se pone a tierra. Las formas de onda de polarización y de salida se muestran en la figura.

Descripción del funcionamiento: Durante el semiciclo positivo de la tensión en corriente alterna, el diodo D1 conduce. La corriente pasa por la parte superior del secundario del transformador, por el diodo D1 por RL y termina en tierra. El diodo D2 no conduce puesta esta polarizado en inversa. 63

Durante el semiciclo negativo el diodo D2 conduce. La corriente pasa por la parte inferior del secundario del transformador, por el diodo D2 por RL y termina en tierra. El diodo D1 no conduce pues esta polarizado polarizado en inversa. Ambos ciclos de de voltaje de entrada entrada son aprovechados aprovechados y el voltaje voltaje de salida salida se verá como como en el siguiente siguiente gráfico:

La tensión de corriente directa pulsante, obtenido a la salida del rectificador de onda completa anterior (VL), tiene una frecuencia (f) igual al doble de la tensión de la red, es decir 100 Hz ó 120 Hz, y una amplitud igual al valor pico (Vp) de la tensión del secundario. secundario. Si se conecta un voltímetro de CC entre los extremos de la carga, el mismo proporcionara una lectura (Vcc) igual al valor medio de la tensión de salida. Para una señal de onda completa, este valor dado por:

Siendo el valor pico de V 2a o V 2b. En la práctica, el voltaje real obtenido sobre la carga es ligeramente inferior a este valor debido a la caída de voltaje en cada diodo. RECTIFICADOR RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA TIPO PUENTE El rectificador de onda completo con transformador de toma intermedia elimina algunas desventajas inherentes de los rectificadores de media onda, pero solo aprovecha la mitad de la tensión disponible en el secundario. El rectificador de onda completa mostrado en l a figura utiliza cuatro diodos en lugar de dos y no requiere de una derivación central del transformador, permitiendo obtener una tensión de salida en CD de la misma amplitud que la tensión de entrada de CA

En este caso los diodos D2 y D3 conducen durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada, mientras que los diodos D1 y D4 lo hacen durante los semiciclos negativos. El resultado es una señal de salida de CC de onda completa sobre la resistencia de carga.

64

Como puede verse, la forma de onda de la tensión sobre la carga es idéntica a la obtenida con el rectificador de onda completa de devanado central. Por tanto su frecuencia es el doble de la frecuencia de la red (100Hz o 120 Hz) y su valor medio, es decir el medido con un voltímetro de CD, esta dado por:

Siendo Vp el valor pico de la tensión de CA de salida del secundario. En la práctica, el valor obtenido es ligeramente menor, debido a las caídas que se presentan en los dos diodos que entran en conducción durante cada semiciclo como se muestra en la siguiente figura.

Por lo tanto, a la tensión obtenida mediante la fórmula anterior deben desconectarse alrededor de 1.4 V para obtener la tensión de salida real. Puentes rectificadores integrados La rectificación de onda completa, mediante un puente de diodos, es una de las técnicas de conversión de CA a CC mas utilizadas en el diseño de fuentes de alimentación, debido principalmente a que no requiere un transformador con derivación central y proporciona un voltaje de salida con un valor máximo igual al valor pico de entrada. Aunque los puentes rectificadores pueden ser construidos con diodos discretos (individuales), una práctica muy común es el empleo de puentes rectificadores integrados, los cuales incorporan los cuatro diodos de un circuito puente, con sus respectivas conexiones, en una misma capsula.

65

Filtros para rectificadores El voltaje de CD proporcionado por un rectificador, aunque mantiene una polaridad única, no es adecuado para alimentar circuitos electrónicos. Esto se debe que su valor no se mantiene constante, sino que varía periódicamente entre cero y el valor máximo de la onda seno de entrada. Para suavizar este voltaje y convertirlo en un voltaje de CD uniforme, similar al de una batería, debe utilizarse un filtro. Este último es generalmente un condensador electrolítico de muy alta capacidad. Rectificador de onda completa con filtro Es un rectificador de media onda, el condensador de filtro se recarga solamente una vez durante cada ciclo de voltaje de entrada. Por tanto, debe suministrar corriente a la carga durante la mayor parte del tiempo. Esto obliga a utilizar condensadores de gran capacidad para minimizar el rizado y sostener la corriente de carga. Un mejor resultado se obtiene utilizando un rectificador de onda completa. En este caso el condensador se recarga dos veces por semiciclo, lo cual implica que su tiempo de descarga se reduce a la mitad. Como resultado, disminuye el rizado y el voltaje de salida se mantiene casi constante, muy próximo al valor pico.

Observe que los diodos D3 y D2 conducen durante los semiciclos positivos del voltaje de entrada (V2), mientras que los diodos D1 y D4 lo hacen durante los semiciclos negativos. En cada caso, a través de los diodos circula la mitad de la corriente de carga, por lo que la otra mitad es suministrada por el condensador de filtro. La amplitud del rizado se calcula de la misma forma que para el rectificador de media onda, excepto que ahora la frecuencia de ondulación (f) es el doble de la frecuencia de entrada. Por lo tanto se puede concluir lo siguiente: 1. El valor medio del voltaje de salida de un rectificador aumenta a medida que lo hace el valor val or del condensador filtro. Esto se debe a que disminuye el valor pico a pico del voltaje de rizado, el cual es inversamente proporcional a la capacidad. 2. El valor medio de salida de un rectificador aumenta a medida medida que lo hace hace el valor de la resistencia de carga. Esto se debe a que disminuye el valor pico a pico del voltaje de rizado, el cual es directamente proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional a la resistencia misma. 3. El efecto neto del condensador condensador de filtro a la salida salida de un rectificador es convertir el voltaje voltaje de CD a un voltaje casi uniforme, caracterizado por unas pequeñas variaciones periódicas de amplitud que constituyen el rizado. 4. El rizado en el voltaje de salida de un rectificador rectificador con filtro se debe a los procesos procesos de carga y descarga del condensador. La magnitud de estas variaciones depende, directamente de la corriente de carga e inversamente de la capacidad del filtro. En el caso de un rectificador de onda completa, la frecuencia del rizado es igual al doble de la frecuencia del voltaje de CA de entrada. 66

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Tensión de red 120 Vac / 60 Hz 2. Osciloscopio 3. Multímetro 4. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s ½ Watt de valores: 100 Ω, 470 Ω, 1 kΩ 2. (2) Diodo unión: 1N4007. 3. Puente rectificador: rectificador : NTE5309 4. Condensadores electrolíticos electrolític os 25 V: 100 μF, 1000 μF, 3300 μF 5. Transformador de toma central en secundario: 120 V / 9-9 V Parte práctica Parte 1: Rectificador media onda. 1. Identifique Identifique las terminales de los devanados devanados primario y secundario. En este caso, el primario tiene dos dos terminales, identificados con los rótulos 0V y 115V. El secundario, por su parte, tiene tres terminales, identificados con los rótulos 9V, 0V y 9V. Se trata, por tanto, de un transformador, reductor. 2. Los devanados del transformador pueden ser ser también probados e identificados midiendo su su resistencia interna. Para ello, configure su multímetro como óhmetro y mida, en su orden, las resistencias del primario (R1) y del secundario (R2), como se indica en la siguiente figura. Notará que la resistencia del primario es mayor que la del secundario, ¿por qué?

3. Una vez identificado el primario, soldé entre sus terminales los extremos del cable de potencia. Soldé también tres alambres telefónicos de 15 cm, u otra longitud adecuada, a las terminales del secundario. Estos últimos permitirán conectar el transformador al Protoboard.

4. Conecte el cable de potencia a un tomacorriente monofásico de 120V/60 120V/60Hz. Hz. Con su multímetro configura configurado do como voltímetro de CA mida el valor de los voltajes del primario (VI) y del secundario (V2) en circuito abierto.

67

5. Tome ahora el diodo rectificador e identifique sus terminales. terminales . En general, el cátodo (K) o negativo es la terminal marcada con la banda. Por tanto la terminal no marcada corresponde al ánodo o positivo. 6. Las terminales de un diodo pueden ser también identificados mediante pruebas de resistencia. Para ello, configure su multímetro como óhmetro y mida, en su orden, a la resistencia entre ánodo y cátodo en polarización directa (R F) e inversa (R R). Esta última debe ser prácticamente infinita. En general, la resistencia de un diodo en polarización directa es siempre inferior a su resistencia en polarización inversa, ¿por qué?

7. Arme sobre el Protoboard Protoboard el rectificador de media media onda mostrado en la figura. Configure Configure su multímetro como voltímetro de CA. Mida entonces el valor RMS del voltaje de salida del secundario (V2) con carga.

8. Configure el multímetro multímetro como voltímetro voltímetro de CC. Mida el valor del voltaje voltaje sobre la resistencia resistencia de carga (VL). (VL). Este valor concuerda con el esperado teóricamente, ¿por qué? 9. Configure el multímetro como amperímetro de CC. Mida el valor de la corriente corriente de salida (IL). Este valor valor concuerda con el esperado teóricamente, ¿por qué? V1

V2 sin carga

V2 con carga

VL

IL

10. Mida con el osciloscopio las formas de onda de voltaje de salida del secundario (V2) y del voltaje sobre la carga (VL). Grafique estas señales y compárelas. Observe que únicamente se rectifican los semiciclos positivos, ¿por qué? Parte 2: Rectificador onda completa con transformador de toma intermedia. 1. Arme sobre el Protoboard el rectificador de onda completa con transformador de toma intermedia mostrado en la figura. Mida el valor RMS del voltaje de CA de salida de cada secundario (V2A y V2B). ¿Por tanto el valor pico de este voltaje (V2p) es?

68

2. Mida el valor del voltaje voltaje de CD sobre la resistencia resistencia de carga (VL) (VL) y la corriente (IL) en la carga. Este valor valor concuerda con el esperado teóricamente. ¿Por qué? V2

V2A

V2B

VL

IL

3. Mida con el osciloscopio oscilos copio las formas de onda del voltaje de salida del secundario (V2A y V2B), así como del voltaje sobre la carga (VL). Grafique estas señales compárelas. Indique los principales valores de voltaje y tiempo de las mismas. Parte 3: Rectificador onda completa tipo puente. 1. Tome el puente rectificador rectifi cador e identifique sus terminales. Observe que las terminales de entrada de CA están ambas marcadas con el símbolo, mientras que las terminales de salida de CD están marcadas con los símbolos “+” (positivo) y “ -“ (negativo).

2. Pruebe el puente rectificador. Para ello, configure configure el multímetro como óhmetro o como probador de diodos y efectué todas o algunas de las mediciones de resistencia indicadas en la figura. Observe que debe obtenerse una lectura de alta resistencia entre las terminales de CA, sin importar la polaridad de las puntas de prueba, así como entre las terminales de CD o entre cualquier terminal de CD y cualquiera de CA con la punta de prueba positiva en “+”, o la negativa en “-“. Bajo cualquier otra condición, debe obtenerse una lectura de baja resistencia. ¿Podría usted explicar porque se obtienen esas lecturas?

3. Arme sobre el Protoboard el circuito mostrado en la figura. Mida el valor RMS del voltaje de CA entregado entregado por el secundario del transformador (Vi), que es el mismo voltaje de entrada del puente rectificador. Calcule el valor pico del mismo (Vip).

69

4. Mida el valor del voltaje de CD sobre la carga (Vo), que es el mismo voltaje de salida del rectificador o entre las terminales del condensador. 5. Mida con el osciloscopio las formas de onda del voltaje de salida del secundario (V2), así como del voltaje sobre la carga (VL). Grafique estas señales compárelas. Indique los principales valores de voltaje y tiempo de las mismas. 6. Observar y medir el voltaje de rizado. 7. Repita el pasos 4, 5, 6 y 7 con las diferentes combinaciones de resistencias de carga (R L) y de condensadores filtro (C1), relacionados relaci onados en la lista tabla. Llene la tabla con los valores del voltaje de salida (Vo) medidos bajo diferentes condiciones. Derive sus propias conclusiones. Carga RL 470 470 470 100 100 100

Ω Ω Ω Ω Ω Ω

Filtro C1

Tensión de salida VL Con RL y C1 Sin C1

Sin RL

1000μF 100μF 3300μF 1000μF 100μF 3300μF

POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme el circuito rectific rectificador ador media onda en el simulador y compruebe los resultados experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 3. Arme el circuito rectificador onda completa con transformador transfor mador de toma intermedia en el simulador y compruebe los resultados experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 4. Arme el circuito rectificador rectificado r onda completa tipo puente en el simulador y compruebe los resultados experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 5. Conteste las siguientes preguntas. a. ¿Cuál es la diferencia entre un rectificador media onda y uno onda completa? b. ¿Cuál es la función del condensador en la salida? c. ¿Cuál es la función de este este circuito? circuito? BIBLIOGRAFÍA 1. Boylestad, R., & Nashelsky, L. (1997). Electrónica: Electrónica: Teoría de circuitos (6ta. ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. 2. Malvino, A. (2000). Principios de electrónica (6ta. ed.). España: McGraw-Hill McGraw -Hill Interamericana. 3. Savant, C., Roden, M., & Carpenter, G. (2000). Diseño electrónico. Circuitos y sistemas (3era. ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. DOCENTE RESPONSABLE

VIGENCIA:

Ing. Nelly Chacón Mayo, 2014

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UNIDAD CURRICULAR:

TRAYECTO:

CODIGO:

UNID/CREDITO:

TALLER I

I

PLTA106

06

PRÁCTICA 10 CIRCUITOS CON DIODOS CIRCUITOS RECORTADORES, RECORTADORES, MULTIPLICADORES MULTIPLICADORES Y SUJETADORES OBJETIVOS 1. Comprobar el comportamiento comportamiento tanto físico como simulado de los circuitos recortadores de tensión en paralelo, un desplazador de nivel de tensión en corriente directa variable positiva y un doblador de tensión. MARCO TEÓRICO CIRCUITOS RECORTADORES RECORTADORES DE TENSIÓN Los circuitos recortadores o limitadores de tensión tienen, como su nombre lo indica, la función de impedir que una tensión no sobrepase cierto valor preestablecido, o en su defecto, que a partir de cierta tensión se permita alimentar a alguna carga, siendo este tipo de recortador complementario al otro como se muestra en la figura. En general, los circuitos recortadores utilizan una fuente de tensión de corriente directa, un diodo y un resistor. Los recortadores pueden ser tipo paralelo y tipo serie. Los de tipo paralelo, no modifican el eje de simetría de la señal, porque la red de recorte se conecta en paralelo con la carga, mientras que los de tipo serie, agregan o restan la tensión de la fuente de DC a la señal recortada, ya la red de recorte se conecta en serie con la carga.

Recortadores de tensión tipo paralelo Para que un circuito recortador paralelo lleve a cabo su función, es necesario utilizar una fuente de directa cuya magnitud sea menor que la tensión máxima de la señal que se desea recortar. La figura ilustra un recortador de tensión de cresta tipo paralelo, el cual tiene dos etapas de funcionamiento que dependen de la polarización del diodo.

71

1. Si la tensión de entrada es mayor que V X, el diodo se polariza en directo haciendo que el tensión de salida sea Vx mas el tensión de conducción del diodo, el cual idealizado se considera de cero volts. El resistor R s limita el valor de la corriente para que el tensión de entrada no produzca una alta corriente en V X que pudiese dañarla, por tal motivo se recomienda que el valor de R S sea mucho mayor que la resistencia interna de la fuente que se desea recortar (R S>>Rint).

2. Cuando la tensión de entrada es menor que V X, el diodo se polariza en inverso aislando la fuente de directa del circuito constituido por la tensión de entrada y los resistores R s y RL los cuales forman un divisor de tensión en la carga por lo que se requiere que R L sea mucho mayor a R S para que la tensión de salida tienda a ser la tensión de entrada.

Si en el circuito recortador se invierte la polaridad del diodo y la polaridad de la fuente V X se obtiene un recortador de cresta negativa como el que se observa en la figura, cabe mencionar que en los recortadores de tipo paralelo no interfieren entre sí dos redes de recorte, la que recorte la cresta positiva con la que recorte la cresta negativa pudiéndose recortar ambas simultáneamente.

1. Si la tensión de entrada cumple con la condición la tensión en la carga a valor tendrá el nivel .

el diodo se polariza en directo, recortándose , si se aproxima la tensión del diodo a cero, el recorte

72

2. Cuando la tensión de entrada satisface la condición el diodo se polariza en inverso aislando la fuente V x de de la malla externa, la cual proporciona una tensión de salida.

En los recortadores anteriores al cambiar la polaridad de la fuente de recorte entregan una señal de salida que tiene la forma del complemento de lo que actualmente recortan, estos circuitos y su forma de onda de salida se exhiben en las figuras a continuación

MULTIPLICADORES MULTIPLICADORES DE TENSION Los multiplicadores de tensión son circuitos que se alimentan con una tensión de alterna y entregan una tensión de directa, cuya magnitud es un número entero de veces la amplitud máxima de la señal alterna que los excitó. Están constituidos por lo general de un transformador elevador de tensión, diodos y capacitores. 73

La tensión que previamente eleva el transformador alimenta a un arreglo de diodos y capacitores, los diodos entran en conducción en algunos de los semiciclos de la señal para cargar a los capacitores y los mismos diodos se polarizan posteriormente en inverso para evitar que se descarguen, al final se tiene un conjunto de capacitores en serie cargados con uno o dos veces la tensión máximo de la señal de entrada que entregan la tensión de salida del circuito. Como la tensión se obtiene de las terminales de capacitores que se encuentran en serie, los multiplicadores de tensión no tienen la capacidad de suministrar corrientes elevadas, salvo en el caso en que se utilicen capacitores de gran capacitancia.

Multiplicador Multiplicador de tensión de media onda El análisis del funcionamiento de éste circuito se llevará a cabo construyendo construyendo el mismo, etapa por etapa y se utilizará el modelo de diodo ideal para facilitar su comprensión. etapa, suponiendo que el circuito de la figura se encuentra 1. Primera etapa, en cuentra recibiendo recibiendo el semiciclo positivo a partir de cero, el diodo D 1 se polariza en directo y permitirá que el capacitor C 1 almacene la tensión máxima en sus terminales al alcanzar la señal t = /2 radian, a partir de t > /2 radian la tensión de la fuente senoidal empezará a decrecer respecto al máximo por lo cual la tensión en las terminales del diodo, que resulta de la suma de la tensión máxima en el capacitor con la nuevo tensión de la fuente, provocan que se polarice en inverso, evitando que el capacitor C 1 se descargue, conservando con ello la tensión máxima.

etapa. Si se agrega una etapa con un nuevo capacitor C 2 y diodo D 2 como se observa en la 2. Segunda etapa. figura, se aprovecha el semiciclo negativo de la tensión de entrada, para polarizar al diodo D 2 en directo y cargar al capacitor C 2 con la tensión máxima previamente almacenada en C 1 y la nueva tensión máxima que entrega la fuente en t = 3/2 rad. A partir de t >3 /2 rad la tensión de la fuente comienza a crecer respecto a su valor máximo negativo polarizando al diodo D 2 en inverso evitando que el capacitor C 2 se descargue y almacene V C2 = 2Vm como lo muestran las figuras.

etapa. Con una nueva etapa de capacitor C 3 y diodo D 3 como lo muestra la figura, el segundo 3. Tercera etapa. semiciclo positivo se utiliza para cargar a través del diodo D 3 al capacitor C 3 con la nueva tensión máxima de entrada menos la tensión máxima de C 1 y dos veces la tensión máxima almacenada previamente en C 2 con lo cual C 3 almacenará 2Vm, evitando D 3 que se descargue porque a partir de 5 /2 se polariza en 74

inverso, la condición de los diodos y los capacitores se observa en la figura.

4. Cuarta etapa. Este etapa. Este proceso continua con los diodos y capacitores restantes dando por resultado el circuito cuadriplicador con la forma de onda de tensión de salida que se muestran en la figura. Estas tensiones de salida se obtienen de las terminales de los capacitores que al usuario convenga con el correspondiente factor de rizo que se define en función de valor del resistor de carga conectado. Es conveniente aclarar que en la medida que se multiplica más veces la tensión, el circuito pierde capacidad de regulación porque el capacitor equivalente que alimenta la carga es menor en forma inversamente proporcional al número de par de veces que se multiplique la tensión, reduciendo con ello la constante de tiempo del circuito serie RC de salida.

CIRCUITO SUJETADOR SUJETADOR DE TENSION T ENSION O DESPLAZADOR DE NIVEL Circuitos que permiten que a las señales se les modifique su nivel de directa positiva o negativamente para poderlas procesar. En la práctica se recurre a circuitos sujetadores de tensión en los que se utiliza un capacitor, un diodo y una fuente de directa para realizar el desplazamiento del nivel. El capacitor tiene como función permitir que la señal que depende del tiempo circule hacia la carga y al mismo tiempo, bloquea la directa para impedir que ésta llegue a la fuente de señal, el diodo y la fuente de directa tienen como función desplazar el nivel de directa hasta el valor deseado.

Sujetador de tensión te nsión positivo variable Incorporando una fuente de tensión de directa en serie con el diodo, es posible modificar el nivel de 75

directa de la señal de entrada, el circuito de la figura realiza esta función en las dos etapas que se detallan con sus circuitos equivalentes y forma de onda de salida.

A pesar de que el análisis del funcionamiento de los circuitos sujetadores de nivel se llevo a cabo con señal de entrada cuadrada, las redes cambiadoras de nivel trabajan adecuadamente para otras formas de señal de entrada puesto que probablemente estas tengan menos armónicos que propia la onda cuadrada.

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Generador de señales 2. Osciloscopio 3. Multímetro 4. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s ½ Wat t de valores: 1 kΩ 2. (2) Diodo unión: 1N4007. (2) Diodo Zener: 5.1 V / ½ W 3. Condensador electrolítico 16 V: 47 μF Parte práctica 1. Arme el circuito de la figura. Aliméntelo con una señal senoidal de 10 Vpp a 1 kHz. Respete cuidadosamente las polaridades de las fuentes y de los diodos. 76

2. Con la ayuda del osciloscopio en acoplo de CD, dibuje y acote las señales de Vin y Vs para todos los valores de la siguiente tabla. VIN (Vpp) 10 10 10 10 10

V1 (V) 10 2 2 0 0

V2 (V) 10 2 0 2 0

Vs (Vpp)

3. Arme los circuitos circuito s mostrados en las figuras.

4. Con Vin en la máxima amplitud y a 1 kHz, dibuje y acote las señales Vin y Vs de cada uno de los circuitos montados. 5. Arme el circuito de la figura. Si Vin es una señal senoidal de 10 Vpp a 1 kHz. Dibuje las señales de Vin y Vs, observando cuidadosamente el nivel de tierra.

6. Arme el circuito de la figura. Dibuje y acote las señales Vin y Vs.

7. A la salida del circuito de la figura del paso paso anterior conecte conecte la red diodo-condensador mostrada. mostrada. Dibuje y acote las señales obtenidas en Vi y Vs, observando los valores del nivel de tensión en CD.

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POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos circuito s vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales exper imentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 3. En base a los resultados obtenidos tanto a nivel experimental como a nivel teórico en el simulador, conteste las siguientes interrogantes. a. ¿Existe diferencia entre los valores Vi y Vs cuando V1 = V2 = 10 V? Explique las causas. causas. b. ¿A qué valor tiende tiende la señal Vs, si V1 = V2 = 0 V, y por qué? qué? c. ¿Cómo aparecería Vs en el circuito recortador si la fuente V1 se invierte de polaridad y V1 = V2 = 3 V? d. En base a los resultados resultados obtenidos obtenidos en el punto punto 3 del procedimiento procedimiento ¿Cuál sería el circuito circuito equivalente equivalente del diodo zener Dz1 utilizando elementos ideales? e. Dé una breve explicación de la función del capacitor C1 en el circuito del punto 5 del procedimiento. f. ¿A qué valor de tensión de CD “sujeta” a la senoidal el cir cuito de la figura del punto 5 del procedimiento? ¿Cuál es la causa? Idealmente, ¿Qué valor de CD se obtendría en Vs1 en el punto 7 del procedimiento? Explique la diferencia en el valor que midió. BIBLIOGRAFÍA 1. Boylestad, R., & Nashelsky, L. (1997). Electrónica: Teoría de circuitos (6ta. ed.). México: México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. 2. Malvino, A. (2000). Principios de electrónica (6ta. ed.). España: McGraw-Hill McGraw -Hill Interamericana. 3. Savant, C., Roden, M., & Carpenter, G. (2000). Diseño electrónico. Circuitos Circuito s y sistemas (3era. ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A.

DOCENTE RESPONSABLE

VIGENCIA:

Ing. Nelly Chacón Mayo, 2014

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UNIDAD CURRICULAR:

TRAYECTO:

CODIGO:

UNID/CREDITO:

TALLER I

I

PLTA106

06

PRÁCTICA 11 TRANSISTORES BJT Y JFET OBJETIVOS 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Identificar y probar las terminales de un transistor BJT. Identificar el tipo de transistor (NPN o PNP). Verificar el factor β o ganancia de corriente de algunos transistores utilizando el multímetro. Comprobar el funcionamiento funcionamien to de los principales circuitos de polarización con el transistor BJT. Comprobar el funcionamiento funcionamien to de los los principales circuitos de polarización con el transistor FET. Estudiar el funcionamiento funcionam iento del transistor transisto r como conmutador. MARCO TEÓRICO TRANSISTORES BJT

Descripción básica El transistor de unión bipolar (BJT) es un dispositivo electrónico de tres terminales, construido mediante dos junturas de semiconductores tipo P y N. La relación entre Tensión y Corriente del puerto de salida (colector-emisor) varía según la intensidad de corriente que circula por el puerto de entrada (base-emisor). Hay dos clases de transistores BJT, los NPN y los PNP, el nombre se refiere al tipo de material semiconductor utilizado en cada parte, Colector-Base-Emisor respectivamente.

Condiciones Condiciones de operación Para obtener condiciones normales de operación las junturas deben estar polarizadas a. base-emisor con polarización polarizaci ón directa (en un NPN, NPN, Vbase > Vemisor) b. base-colector base-colecto r con polarización inversa (en un NPN, Vbase < Vcolector ) Además (por (por ley de Kirchhoff Kirchhoff de corrientes) corrientes) se verifica verifica que: Ie = Ib Ib + Ic En el transistor BJT se reconocen 3 regiones de operación: Activa: Esta región de operación se considera de corriente constante, se cumple aproximadamente la a. Activa: relación: Ic = hFE · Ib 79

En la cual hFE es la ganancia de corriente continua y depende de la construcción del transistor. Aunque en la práctica Ic varía levemente para diferentes valores de Vce, para esta región se puede pensar que: la corriente Ic es una versión amplificada de la corriente Ib. (Zona Lineal) b. Saturación: Si Saturación: Si Vce es demasiado pequeño, Ic ya no es proporcional a Ib, es decir, aunque Ib aumente, Ic no sigue ese crecimiento Ic < hFE · Ib La tensión Vce permanece prácticamente constante en un valor llamado Vsat, para esta región se puede pensar que: entre colector y emisor, el transistor trabaja como un corto circuito. (Zona No lineal) c. Corte: Cuando Corte: Cuando Ib es muy pequeña o nula, implicará además Ic = 0. Lo que equivale a decir que no hay conducción entre colector y emisor. En esta región se puede pensar que: entre colector y emisor, el transistor trabaja como un circuito abierto. (Zona No lineal) Características Ideal V-I (tensión-corriente) En la gráfica se ven varias curvas de Ic para diferentes corrientes Ib. El punto de trabajo concreto dependerá del circuito externo.

Determinación de la región de operación Lo primero que hay que analizar es la Ib. Si la tensión en la juntura Vbe no supera la mínima V γ (en general del orden de 0.7v), entonces Ib = 0, y el transistor estará en corte. Si ese no es el caso, se conjetura que está trabajando en Zona lineal donde I c = h ·Ib , si luego del cálculo se encuentran resultados erróneos o inconsistentes con los valores del circuito, se sabrá que el transistor se encuentra en región de saturación. En este último caso se deben realizar los cálculos manteniendo Vce = Vsat FE

Potencia admitida Debido a que hay circulación de corriente entre dos puntos que tienen una diferencia de potencial (Ic con Vce y Ib con Vbe) el transistor disipa potencia, la cual provoca un aumento de temperatura, que puede llegar a fundir o quemar al transistor. En general los transistores especifican cual es la potencia máxima que pueden disipar Pmax, que no debe superarse, calculando P = Vce · Ic , siempre debe ser P < Pmax. Identificación de los terminales del de l transistor bipolar. Existen diversas formas que permiten identificar los terminales de un transistor bipolar y si este es NPN o PNP, sin embargo, se recomienda que siempre se consulten las hojas de especificaciones que proporciona el fabricante y que indican cómo está ubicada las terminales de emisor, colector y base. En el laboratorio es conveniente comprobar que esta ubicación es correcta y que el dispositivo esté en buen estado. 1. Usar el multímetro en su función óhmetro y aplicar la prueba conocida como “prueba del amplificador” e 80

identificar las terminales del transistor. a. Use un multímetro en su función de óhmetro. b. Mida el efecto rectificante entre las uniones uniones emisor-base y colector-base: para el caso de un transistor NPN, cuando se coloca el positivo de la fuente interna del óhmetro en la base (P) y el negativo en cualquiera de otras dos terminales deberá medirse baja resistencia, al invertir esta polaridad, la resistencia medida deberá ser alta (use la escala mínima del multímetro para la realización de estas pruebas). c. Entre las terminales terminales de colector-emisor colector-emisor se observará observará alta resistencia resistencia sin importar como como se coloque coloque la polaridad en las terminales del óhmetro. Con estas mediciones se comprueba la existencia de las uniones rectificantes del transistor bipolar y el tipo de transistor NPN o PNP. Para distinguir la terminal de colector de la de emisor, será necesario aplicar la “prueba del amplificador”

o alguna otra que se proponga.

2. Otra forma que permite identificar las terminales de este dispositivo, es mediante mediante el uso de un multímetro digital que nos permita medir la “hFE” del transistor. Esto es: a. Se elige en en el multímetro digital la función de medición de la beta b. Se colocan los terminales del transistor como se crea que están correctas y se miden los betas, cuando el dispositivo está correctamente colocado, la beta medida generalmente es grande (en la mayoría de estos casos mayor a 50), cuando no está bien colocado la beta que se mide es pequeña (en la mayoría de estos menos a 20 y en algunos multímetros en esta situación marca circuito abierto). TRANSISTOR BJT COMO CONMUTADOR El uso de los transistores no se limita únicamente a la amplificación de señales. A través de un diseño adecuado pueden utilizarse como un interruptor normalmente utilizado para aplicaciones de control, o como un inversor en los circuitos lógicos. Transistor como inversor En la figura se puede observar que el voltaje de salida Vc es opuesto al que se aplicó sobre la base o a la terminal de entrada. También obsérvese la ausencia de una fuente de dc conectada al circuito de la base. La única fuente de dc está conectada al colector o lado de la salida, y para las aplicaciones digitales normalmente es igual a la magnitud del nivel "alto" de la señal aplicada, en este caso 5 V.

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El diseño ideal para el proceso de inversión requiere que el punto de operación conmute de corte a la saturación, saturación, pero a lo largo de la recta de carga descrita en la figura. Para estos propósitos se asumirá que I C = ICEO = 0 mA cuando I B = 0 µA (una excelente aproximación de acuerdo con las mejoras de las técnicas de fabricación). Cuando Vi = 5 V, el transistor se encontrará "encendido" y el diseño debe asegurar que la red está saturada totalmente por un nivel de I B mayor asociado con la curva I B, que aparece cerca del nivel de saturación. El nivel de saturación para la corriente del colector y para el circuito está definido por: I Csat = Vcc / Rc Transistor como interruptor Un transistor funciona como un interruptor para el circuito conectado al colector (Rc) si se hace pasar rápidamente de corte a saturación y viceversa. En corte es un interruptor abierto y en saturación es un interruptor cerrado. Los datos para calcular un circuito de transistor como interruptor son: el voltaje del circuito que se va a encender y la corriente que se requiere con ese voltaje. El voltaje Vcc se hace igual al voltaje nominal del circuito, y la corriente corresponde a la corriente I Csat. Se calcula la corriente de saturación mínima, luego la resistencia de base mínima: IBSAT min = ICsat / β RBMax = Von / I Bsat min Donde Von es el voltaje en la resistencia de base para encender el circuito. El circuito debe usar una R B por lo menos 4 veces menor que R Bmax. Adicionalmente se debe asegurar un voltaje en R B de apagado Voff que haga que el circuito entre en corte.

82

La principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados lógicos, allí se mantienen trabajando los transistores entre corte o en saturación, en otro campo se aplican para activar y desactivar relés, en este caso como la carga es inductiva (bobina del relé) al pasar el transistor de saturación a corte se presenta la "patada inductiva" que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una protección con un diodo en una aplicación llamada diodo volante. TRANSISTOR DE DE EFECTO CAMPO CAMPO FET El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET, como todos los transistores, pueden plantearse como resistencias controladas por voltaje. Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET). Tienen tres terminales, denominadas puerta ( gate), drenador ( drain) y fuente ( source ). La puerta es el terminal equivalente a la base del BJT.

El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente. Principio de funcionamiento Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. Los transistores de efecto de campo MOS son usados extensísimamente en electrónica digital, y son el componente fundamental de los circuitos integrados o chips digitales. El funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser despreciada. Los MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el análisis y diseño de circuitos. Curvas características: ID = f (VDS, VGS) Para VGS = 0 1. VDS pequeña (< V P ): Canal casi completamente abierto => resistencia pequeña y aproximadamente constante => comportamiento aproximadamente lineal => REGIÓN ÓHMICA 2. VDS cercana a V P : Canal se va cerrando por un punto y la resistencia aumenta con la tensión => comportamiento no lineal => REGIÓN DE CONTRACCIÓN 3. VDS > VP : La resistencia r ds ds es grande y aproximadamente constante => JFET fuente de corriente => REGIÓN DE SATURACIÓN 4. VDS muy elevada: Conducción inversa en las uniones, ID se dispara y se produce fácilmente la destrucción del JFET => REGIÓN DE RUPTURA 83

Circuitos de polarización del JFET En comparación con el BJT, en el JFET es más difícil controlar el punto Q. Esto se debe a las variaciones en IDSS en los distintos JFET. Para estabilizar I D se necesita un circuito que permita grandes variaciones en VGS. Existen varios modelos de polarización, algunos de los cuáles se muestran en la figura. Cada circuito ofrece ventajas con respecto al anterior en términos de proveer una corriente de salida estable (ID).

(a) . En éste, el voltaje del gate controla directamente la corriente de salida, de una 1. Polarización del gate (a). manera simple pero ineficiente. (b). Funciona un poco mejor que el anterior porque el resistor en el gate produce 2. Auto polarización (b). retroalimentación y VGS ejerce algún control sobre ID. 3. Polarización de divisor de voltaje (c). (c) . Produce un punto Q relativamente estable pero requiere un voltaje de entrada grande. (d) . Produce un punto Q estable porque el BJT va a forzar la 4. Polarización con fuente de corriente (d). corriente del drain a tener un valor fijo. Tipos de transistores de efecto campo El canal de un FET es dopado para producir tanto un semiconductor tipo N o uno tipo P. El drenador y la fuente deben estar dopados de manera contraria al canal en el caso de FETs de modo mejorado, o dopados de manera similar al canal en el caso de FETs en modo agotamiento. Los transistores de efecto de campo también son distinguidos por el método de aislamiento entre el canal y la puerta. Los tipos de FETs son: Podemos clasificar los transistores de efecto campo según el método de aislamiento entre el canal y la puerta: a. El MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ) usa un aislante (normalmente SiO2). b. El JFET (Junction Field-Effect Transistor ) usa una unión p-n Metal-Semiconductor Field Effect Transistor ) substituye la unión PN del JFET con una barrera c. El MESFET (Metal-Semiconductor Schottky. d. En el HEMT (High Electron Mobility Transistor ), también denominado HFET 84

heterostructure FET ), e. (heterostructure ), la banda de material dopada con "huecos" forma el aislante entre la puerta el cuerpo del transistor. f. Los MODFET (Modulation-Doped Field Effect Transistor ) g. Los IGBT (Insulated-gate bipolar transistor ) es un dispositivo para control de potencia. Son comúnmente usados cuando el rango de voltaje drenaje-fuente está entre los 200 a 3000V. Aún así los Power MOSFET todavía son los dispositivos más utilizados en el rango de tensiones drenaje-fuente de 1 a 200V. h. Los FREDFET es un FET especializado diseñado para otorgar una recuperación ultra rápida del transistor. i. Los DNAFET es un tipo especializado de FET que actúa como biosensor, usando una puerta fabricada de moléculas de ADN de una cadena para detectar cadenas de ADN iguales j. La característica característica de los los TFT que que los distingue, distingue, es que hacen hacen uso del del silicio amorfo amorfo o del silicio silicio policristalino. policristalino.

Características eléctricas a. b. c. d. e.

Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi 100M). No tiene un voltaje de unión unión cuando se utiliza utiliza Conmutador (Interruptor). Hasta cierto punto inmune a la radiación. Es menos ruidoso. Puede operarse para proporcionar proporcionar una mayor estabilidad térmica.

Precauciones Con los transistores FET hay que tener cuidados especiales, pues algunas referencias se dañan con solo tocar sus terminales desconectadas (estática). Por tal motivo, cuando nuevos traen sus patas en cortocircuito mediante una espuma conductora eléctrica o con algo metálico, esto no se debe quitar hasta que estén soldados en la tableta de circuito impreso, hecho esto ya no hay problema.

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Fuente de tensión continua 2. Multímetro 3. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s ½ Watt de valores: 100 Ω, 180 Ω, 270 Ω, 680 Ω, 820 Ω, 1,5 kΩ, 1,8 kΩ, 2,2 kΩ, 5 kΩ, 5,6 kΩ, 10kΩ, 33 kΩ, 100 kΩ, 1 MΩ

2. Transistores: Transistore s: BJT 2N3904 , 2N3906 , TIP41 , TIP42 , 2N2222. 3. Transistores: Transistore s: FET 2N3819 , 2N5460 Parte práctica TRANSISTOR BJT

Terminales de transistores NPN y PNP 1. Mida el transistor con el multímetro en escala de diodo. 2. Concluya finalmente el tipo de transistor transistor y el nombre nombre de cada uno de los terminales para para cada uno uno de los transistores listados en la tabla. 85

Transistor

Tipo

Terminales Terminales

Beta

2N3904 2N3906 TIP41 TIP42 3. Utilizando el Multímetro determine el β de cada uno de los elementos. ¿De qué otra forma se puede determinar este parámetro? 4. Mediante el manual técnico consulte la asignación de terminales y compruebe con lo obtenido en forma práctica e indique además las características más importantes de cada uno de ellos. El transistor BJT en e n continua. Polarización Circuito de polarización con tensión de base 1. Implemente Implemente el circuito de la figura.

2. Ajuste la tensión tensión Vbb (entre (entre 0 Volts y 10 Volts) y con el multímetro mida los voltajes voltajes entre colector colector y emisor Vce; el voltaje en la resistencia RB, el voltaje en la resistencia RC para completar la siguiente tabla. VBB (V)

V (RC) (V)

V (RB) (V)

Vce (V)

Vbe (V)

Zona de trabajo

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

86

3. Con los valores obtenidos en la tabla anterior, determine el estado o zona en que que está trabajando el transistor (Activa, saturación o corte) para cada fila de la tabla, indicando las razones de cada una de ellas además del estado de la unión base emisor y base colector. 4. Para todos todos los casos casos en que que el transistor transistor trabaja en la zona activa, activa, determine el valor de la relación Ic / Ib. ¿A qué parámetro del transistor corresponde dicho valor?; (Las corrientes Ic e Ib se puede obtener utilizando la ley de Ohm, esto es, I = V / R en cada caso). Circuito auto polarizado 1. Monte en el protoboard el circuito auto polarizado de la figura. Antes de conectar la alimentación del circuito asegúrese de que el transistor esté bien montado, es decir compruebe la asignación de los pines.

2. Con la ayuda del multímetro tome las medidas necesarias para llenar la siguiente tabla. Recuerde que la tensión se mide en paralelo y la corriente en serie. IB

IC

IE

VCE

VBE

VBC

β

Reg. Operación

3. Cambie la resistencia R2 del circuito por los valores que se detallan en la siguiente tabla y mida el resto de parámetros que le piden en la misma. Justifique los resultados obtenidos. R2

IB

IC

VCE

VBE

β

Reg. Operación

330 Ω 5 kΩ

TRANSISTOR BJT COMO CONMUTADOR BASICO EN EMISOR COMÚN 1. Monte en el protoboard el circuito de la figura. El circuito se alimenta con una tensión continua VCC de +15 V. En este circuito, el transistor presenta dos estados claramente diferenciados: corte y saturación. En primer lugar se determina la respuesta estática en cada uno de ellos.

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Corte 2. Este estado se consigue aplicando a la entrada del circuito una tensión VBB de 0V. Esto se consigue disminuyendo progresivamente la tensión aplicada por la fuente VBB del circuito hasta hacerla llegar a un valor lo más cercano a 0 V. Calcular los valores teóricos para las tensiones y corrientes de la tabla. Medir, con ayuda del multímetro, los valores experimentales: VCE(V)

V BE (V)

IC (mA)

IB (μA)

Valor teórico Valor medido Saturación 3. Este estado se consigue aplicando a la entrada del circuito una tensión VBB de +5V. Calcular Calcu lar los valores teóricos para las tensiones y corrientes de la tabla. Medir, con ayuda del multímetro, los valores experimentales: VCE(V)

V BE (V)

IC (mA)

IB (μA)

Valor teórico Valor medido Transistor como Inversor. 4. En el circuito de de la figura sustituir sustituir la fuente DC de entrada entrada VBB por el generador de señales. señales. 5. Ajustar a la salida del del generador una señal cuadrada unipolar de +5 V de amplitud (señal cuadrada entre +5V y 0V, señal de salida TTL) y 50 kHz de frecuencia. Observar con ayuda del osciloscopio las formas de onda de entrada (generador de señal) y de la tensión entre colector y emisor. Graficar las señales observadas. 6. Ajustar ahora a la salida del generador una señal cuadrada bipolar entre entre +5V y -5V y 50 kHz de frecuencia y observar con ayuda del osciloscopio las formas de onda de entrada (generador de señal) y de la tensión entre colector y emisor. Graficar las señales observadas. TRANSISTOR JFET 1. Mediante el manual técnico consulte la asignación de terminales e indique además las características más importantes de cada uno de los transistores. Transistor

Tipo

Terminales

Características eléctricas

2N3819 2N5460

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2. Arme el circuito de auto polarización mostrado en la figura.

3. Conecte adecuadamente los instrumentos para medir corrientes y tensiones, encienda la fuente y anote los valores medidos en la tabla siguiente. Magnitud VDS VGS VGD IS ID IG

Valor medido

Valor calculado

4. Arme el circuito circuito de polarización polarización por por divisor de de tensión tensión mostrado mostrado

5. Realice las medidas de I D así como las tensiones en los diferentes nudos y puntos del circuito.

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Magnitud VDS VGS VGD IS ID IG

Valor medido

Valor calculado

POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 3. Interpretando los resultados anteriores anteriore s comente comente acerca del comportamiento del transistor BJT. Además, conteste las siguientes preguntas: a. ¿Es un un dispositivo dispositiv o total o parcialmente lineal? b. ¿Qué zonas de operación observa? c. ¿Cuál es la dependencia dependencia de las características de la curva con respecto a la polarización polarización del transistor? (variaciones en la fuente DC). 4. Interpretando los resultados anteriores comente acerca del comportamiento del transistor. Además, conteste las siguientes preguntas: a. ¿Explicar ¿Explica r con con sus propias palabras como como funciona un FET? FET? b. ¿Cuál es la diferencia más notable del transistor FET en comparación comparación con el transistor BJT? c. Investigue cuales son las ventajas y desventajas del FET. BIBLIOGRAFÍA 1. Boylestad, R., & Nashelsky, Nashelsk y, L. (1997). Electrónica: Teoría de circuitos (6ta. ed.). México: México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. 2. Malvino, A. (2000). Principios de electrónica (6ta. ed.). España: McGraw-Hill McGraw -Hill Interamericana. 3. Savant, C., Roden, M., & Carpenter, G. (2000). Diseño electrónico. electróni co. Circuitos y sistemas (3era. ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A.



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UNIDAD CURRICULAR:

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TALLER I

I

PLTA106

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PRÁCTICA 12 TRANSISTORES BJT Y JFET Análisis de funcionamiento en pequeña señal OBJETIVOS 1. Familiarizarse Familiariz arse con las características característica s y la operación de un amplificador de baja señal en la configuración conf iguración emisor común (EC). 2. Medir los voltajes y corrientes corriente s de polarización de un amplificador. 3. Aprender a medir medir la ganancia de tensión tensión (Av), la impedancia impedancia de entrada (Zi) y la impedancia impedancia de salida (Zo) de un amplificador. 4. Verificar Verifica r el funcionamiento de un JFET en en polarización por divisor de voltaje y auto polarización. polarizaci ón. 5. Experimentar circuitos con JFET cuando opera como como amplificador. 6. Evaluar como varía la ganancia de voltaje de un amplificador con diferentes valores de resistencia de carga. 7. Determinar los factores que causan la distorsión en un amplificador amplificado r MARCO TEÓRICO ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO EN PEQUEÑA SEÑAL TRANSISTOR BJT En el circuito de figura se muestra un circuito típico de un amplificador de tensión con un transistor BJT. Con él se trata de amplificar una tensión cualquiera Vi y aplicarla, una vez amplificada, a una carga R L. La zona sombreada resalta el amplificador, que en este caso, lo constituye un transistor BJT en la configuración emisor común. El cual, convenientemente polarizado en la zona activa, es capaz de comportarse como un amplificador de tensión.

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Los condensadores C 1 y C2 que aparecen se denominan condensadores de acoplo y sirven para bloquear la componente continua. En concreto C 1 sirve para acoplar la tensión que se quiere aplicar al amplificador propiamente dicho, eliminando la posible componente continua que esta tensión pudiera tener. Si no se bloquea, bloquea, esta continua se sumaría a las corrientes de polarización del transistor modificando modificando el punto de funcionamiento del mismo. Por otra parte, el condensador C 2 permite acoplar la señal amplificada a la carga, eliminando la componente continua (la correspondiente al punto de polarización del transistor) de forma que a la carga llegue únicamente la componente alterna. El condensador C 3 es un condensador de desacoplo, su misión es la de proporcionar un camino a tierra a la componente alterna, de tal manera de desacoplar la resistencia R E, la cual desde el punto de vista de la amplificación, hace disminuir la ganancia del amplificador. Al añadir el condensador de desacoplo se consigue que la continua pase por R E mientras que la alterna pasaría por el condensador C 3 consiguiendo que no afecte a la amplificación. Si en el circuito amplificador amplificador de la figura se aplica la condición de que los condensadores condensadores se comportan comportan como circuitos abiertos, se obtiene el circuito equivalente en continua. Se puede observar como este circuito es, precisamente, el circuito de polarización del transistor y de cuya resolución se obtendrán las tensiones y corrientes de continua presentes en el circuito.

Si por el contrario, al circuito se le aplican las condiciones para obtener el circuito equivalente de alterna, es decir, se suponen que los condensadores se comportan como cortocircuitos e, igualmente, se cortocircuitan las fuentes de tensión de continua, el circuito que se obtendría es el mostrado en la figura

. Recta de Carga Estática. La Recta de Carga Estática representa la sucesión de los infinitos puntos de funcionamiento que puede tener el transistor. Su ecuación se obtiene al analizar la malla de salida del circuito equivalente en continua. La Recta de Carga Estática está formada por los pares de valores (V CE, IC) que podría tener el transistor con esa malla de salida. Para obtener su ecuación matemática f (V (VCE,IC) = 0, se plantean las tensiones en la malla de salida del circuito equivalente en DC.

Si se tiene en cuenta que:

Queda entonces:

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Si se supone que β >> 1, se obtendría la ecuación que relaciona la V CE y la IC del transistor, dicha ecuación representa una recta en el plano de las características de salida, y se conoce con Recta de Carga Estática

Esta recta representa todos los posibles puntos de funcionamiento que podrá tener el transistor con esa malla de salida. El punto de funcionamiento Q se fijará mediante el circuito de polarización de entrada fijando la IB correspondiente. Recta de Carga Dinámica. La Recta de Carga Dinámica se obtiene al analizar la malla de salida del circuito equivalente de AC. Está formada por la sucesión de los pares de valores (v CE, iC). Es de hacer notar que que a diferencia del caso anterior, en este caso se refieren a los valores totales (alterna más continua) tanto de tensión como de corriente. Para obtener la ecuación matemática de esta recta f (v (vCE,iC) = 0, se analiza la malla de salida del circuito equivalente en alterna

Si se tiene en cuenta que la componente incremental (o de alterna) de una señal se puede obtener restando el valor de continua al valor total.

Haciendo este cambio de variable en la expresión anterior se obtiene la ecuación de la Recta de Carga Dinámica

Se tiene entonces la ecuación de una recta que pasa por el punto de funcionamiento (punto Q) y cuya pendiente es el inverso del paralelo de R C y RL.

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La Recta de Carga Dinámica siempre tiene más pendiente que la Recta de Carga Estática. Únicamente en el caso de un circuito en el que R E = 0 y la salida esté en circuito abierto (RL = ∞) ambas rectas coincidirán. La Recta de Carga Dinámica representa los pares de valores i C y vCE en cada instante como se puede ver gráficamente en la figura.

TRANSISTOR UNIPOLAR (FET) El circuito de la figura utiliza un JFET canal N polarizado mediante un divisor de voltaje. Si este circuito se modifica de tal forma que R1 = ∞ (circuito abierto), entonces la polarización del amplificador cambia a la de

un JFET auto polarizado. La resistencia de carga RL así como la fuente de señal de CA v s se encuentran acoplados a la red de polarización mediante capacitores (denominados capacitores de acoplamiento).

Análisis de CD. El circuito que se ilustra en la figura siguiente muestra el circuito equivalente de CD para el amplificador fuente común de la figura anterior.

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En el análisis de CD se considera considera la impedancia de los capacitores como infinita de tal forma que estos actúan como circuitos abiertos. También la red de polarización de la compuerta se ha simplificado mediante la aplicación del teorema de Thevenin, las ecuaciones para la red de la compuerta se presentan a continuación. La resistencia de compuerta es dada por: R G = R1‖ R2. Generalmente I GSS es muy pequeña por lo que para efectos prácticos se considera como I GSS = 0, el resistor RG mantiene a la compuerta en aproximadamente V GG voltios de CD. V GG se obtiene aplicando un divisor de voltaje:

En el caso de un red de auto polarización donde R1 = ∞, las ecuaciones son R G = R2 y VGG = 0V. El análisis de la malla compuerta-fuente arroja la ecuación:

De esta relación se despeja el voltaje V GS y se sustituye en la ecuación de Shockley

La ecuación resultante es de tipo cuadrática que se resuelve para I D, esta arroja dos soluciones: I D1 e ID2; cuando el circuito opera en la zona activa, generalmente una de ellas es descartada descartada ya que no cumple con las condiciones para esta zona de operación. El valor de la corriente drenador de operación real debe encontrarse en el intervalo 0 < I DQ < IDSS y el voltaje voltaje de compuerta-fuente, para esta corriente I DQ de operación, debe cumplir con la condición V GS (corte) < VGSQ < 0. Una vez determinada I DQ se analiza la malla drenador-fuente la cual entrega la ecuación de la línea de carga en corriente continua: Si además de las condiciones anteriores, el voltaje drenador-fuente de operación cumple con la condición V DSQ > VDS (saturación), entonces se puede afirmar que el amplificador opera en la zona activa donde I DQ, V DSQ y VGSQ definen los puntos de operación sobre las curvas características, tal y como lo muestra la figura anterior. En esta se observa que la señal de voltaje de entrada v S hace que el voltaje de compuerta a fuente v gs excursione por encima y por debajo de su valor en el punto Q (V GSQ), lo que provoca una excursión correspondiente en la corriente de drenador la cual excursiona por arriba y por debajo de su valor en el punto Q en fase con el voltaje de compuerta a fuente. El voltaje entre drenador y fuente v ds excursiona por encima y por debajo del punto Q (V DSQ) y se desfasa 180° con respecto al voltaje entre compuerta y fuente v gs. Análisis de CA. C A. La figura muestra el circuito equivalente de CA para el amplificador fuente común. Para obtener este circuito se consideran los capacitores en corto circuito al igual que la fuente de CD y se reemplaza el modelo simplificado del JFET.

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Las ecuaciones para el cálculo de la ganancia de voltaje, ganancia de corriente, resistencia de entrada y resistencia de salida se presentan a continuación.

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Generador de señales 2. Fuente de tensión continua 3. Osciloscopio 4. Multímetro 5. Protoboard Materiales: 1. Resistencias Resistencia s ½ Watt de valores: 420 Ω, 820 Ω, 1 kΩ, 1,5 kΩ, 3.9 kΩ, 4.7 kΩ, 5 kΩ, 10 kΩ, 47 kΩ, 82 kΩ, 100 kΩ, 470 kΩ 2. Potenciómetro : 5 kΩ 3. Condensadores 25 V: 4.7 μF, 47 μF 4. Transistores: Transistore s: BJT 2N2222. FET 2N3819 Parte práctica Análisis del transistor BJT en pequeña señal. 1. Conecte el circuito que a continuación se muestra, el cual corresponde a un amplificador de baja baja señal en configuración configuració n EC, antes de conectar conectar el BJT mida la la ganancia de corriente estática (hfe) con el multímetro. multímetro .

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2. Mida las tensiones y corrientes especificadas en la tabla, correspondientes al punto de polarización del transistor en continua VCE(V)

V BE (V)

IC(mA)

I B (μA)

3. Conecte al c ircuito el generador de señales con una frecuencia de 1 KHz y la resistencia de carga de 1 kΩ como se muestra a continuación:

4. Con ayuda del osciloscopio mida las tensiones de entrada (señal del generador) y de de salida del circuito. Grafíquelas y establezca comparaciones. 5. Calcule la ganancia de voltaje (Av) relacionando la amplitud amplitud de la señal de de salida entre la amplitud de la señal de entrada. 6. Repita los pasos 4 y 5 para cargas de 10 kΩ y 100 kΩ, Determinar las nuevas ganancias. Compare. Determinación de Zo, Zi, distorsión Impedancia de salida: 7. Retire la resistencia de 1 kΩ (RL). Mida la amplitud de voltaje de salida y llámelo V OSC 8. Reinstale la RL, mida la amplitud de voltaje de salida y llámelo V OCC 9. Realizado esto calcule la Zo aplicando la siguiente formula

Impedancia de entrada: 10. Separe el circuito en la conexión del condensador C1 y el divisor de tensión R1 y R2, intercale entre estos puntos un potenciómetro de 5 kΩ en la posición de 0 Ω.

11. Mida con ayuda del osciloscopio la tensión existente entre la base del transistor y tierra. 12. Varié gradualmente el potenciómetro, observando el nivel de señal aplicada a la base del transistor. 13. Cuando el nivel de esta señal alcance la mitad de su valor inicial, retire el potenciómetro y mida el valor de su resistencia. Este valor medido corresponderá aproximadamente a la impedancia de entrada del circuito amplificador. Distorsión: 14. Aumente lentamente la amplitud de la señal de entrada hasta que la señal de salida comience a mostrar signos de distorsión. El primer síntoma es la distorsión de armónica, caracterizada porque los semiciclos negativos de Vo comienzan a verse alargados con respecto a los positivos (esto se debe a la naturaleza no lineal de la unión 97

mayor ∆IE (incremento de la corriente de B-E la cual causa que los semiciclos positivos de Vi produz can un mayor emisor) que los negativos. 15. A medida que aumenta la señal de entrada, se llega a un punto que aparece la distorsión por recorte, caracterizada porque uno o ambos picos aparecen recortados o aplanados.

Análisis del transistor unipolar (FET) en pequeña señal. 1. Ensamble en el protoboard el circuito mostrado en en la figura.

2. Mida las tensiones y corrientes especificadas en la tabla, correspondientes al punto de polarización del transistor en continua VDS(V)

V GS (V)

ID(mA)

I G ( μA)

3. Conecte al circuito el generador de señales con una frecuencia de 1 KHz y la resistencia de carga de 5 kΩ como se muestra a continuación:

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4. Con ayuda del osciloscopio mida las tensiones de entrada (señal del generador) y de de salida del circuito . Grafíquelas y establezca comparaciones. 5. Calcule la ganancia de voltaje (Av) relacionando la amplitud amplitud de la señal de de salida entre la amplitud de la señal de entrada. 6. Repita los pasos 4 y 5 para cargas de 1 kΩ y 10 kΩ, Determinar las nuevas ganancias. Comp are. POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. BIBLIOGRAFÍA 1. Boylestad, R., & Nashelsky, L. (1997). Electrónica: Teoría de circuitos (6ta. ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. 2. Malvino, A. (2000). Principios de electrónica (6ta. ed.). España: McGraw-Hill McGraw -Hill Interamericana. 3. Savant, C., Roden, M., & Carpenter, G. (2000). Diseño electrónico. Circuitos y sistemas (3era. ed.). México: México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A.



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UNIDAD CURRICULAR:

TRAYECTO:

CODIGO:

UNID/CREDITO:

TALLER I

I

PLTA106

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PRÁCTICA 13 AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLASE A, B Y AB OBJETIVOS 1. Estudiar el funcionamiento de los amplificadores amplificadore s de potencia y conocer las diferentes clasifica ciones de las etapas de salida. 2. Analizar las configuraciones de las etapas de salida clase A, clase B y clase AB. 3. Medir el porcentaje de distorsión armónica presente en las señales señales de salida de las configuraciones utilizadas. MARCO TEÓRICO Amplificadores Amplificadores de Potencia Un amplificador de potencia es aquel cuya etapa de salida se ha diseñado para que sea capaz de generar rangos de tensión e intensidad más amplios, de forma que tenga capacidad de transferir a la carga la potencia que se requiere. Entre los diferentes arreglos de etapas de potencia se encuentran: Clase A   Clase B Clase AB  Amplificador de Clase A: La corriente de salida circula durante todo el ciclo de la señal de entrada. 1. Amplificador

La corriente de polarización del transistor de salida es alta y constante durante todo el proceso. La distorsión introducida es muy baja, pero el rendimiento también será bajo, estando siempre por debajo del 25%. 2. Amplificador clase B: La corriente de salida sólo circula, aproximadamente, durante medio ciclo de la señal de entrada. Durante el otro medio ciclo, la señal no es amplificada. Se produce a la salida un cambio alternativo de positivo (hay señal) a negativo (no hay señal).

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Además, no circula corriente a través de los transistores de salida cuando no hay señal. La distorsión distorsión introducida por tanto, es muy elevada, aunque el rendimiento mejora notablemente respecto a la clase A, aunque siempre será superior al 50%. 3. Amplificador de Clase AB: La corriente de salida circula entre medio ciclo y el ciclo completo de la señal de entrada.

Como en los amplificadores de clase A, hay una corriente de polarización constante, pero relativamente baja, evitando la distorsión de cruce. Son los amplificadores de más calidad. Es una mejora de la clase B para evitar la distorsión excesiva. Su rendimiento es mejor que el de la clase A, pero inferior a la B. 4. Amplificador Amplificador de clase C: La corriente de salida solo circula durante menos de medio ciclo de la señal de entrada.

La clase C trabaja para una banda de frecuencias estrecha y resulta muy apropiado en equipos de radiofrecuencia. Rendimiento de una etapa de potencia Se define en forma general el rendimiento de una etapa de potencia como el cociente entre la potencia máxima de corriente alterna disipada en la carga y la potencia total consumida por el amplificador en corriente continua.

1. Rendimiento máximo del amplificador amplificador de potencia Clase A Potencia entrada: La potencia de entrada es la potencia total consumida por el amplificador en CC. La potencia instantánea que entrega la fuente de alimentación está dada por:

Potencia salida: La potencia de salida es la potencia máxima que es transferida sobre la carga, se produce cuando la amplitud de salida es máxima (Vm = Vcc/2)

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Rendimiento máximo:

2. Rendimiento máximo del amplificador amplificador de potencia Clase B Potencia entrada: La potencia de entrada es la potencia total consumida por el amplificador en CC. La potencia instantánea que entrega la fuente de alimentación está dada por:

Potencia salida: La potencia de salida es la potencia máxima que es transferida sobre la carga, se produce cuando la amplitud de salida es máxima (Vm = Vcc/2)

Rendimiento máximo:

PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PRACTICO Material a utilizar Equipos: 1. Fuente de tensión continua 2. Generador de señales 3. Osciloscopio 4. Multímetro 5. Protoboard Materiales: 1. Resistencias ½ Watt de valores: 820 Ω, 1 kΩ 2. Resistencias 5 Watt de valores: 1.5 Ω, 8 Ω, 3. Potenciómetro : 5 kΩ 4. Transistores: Transistore s: BJT TIP41 , TIP42 5. Condensadores electrolíticos 25 V: 4.7 μF (2), 100 μ F (3) 6. Altavoz de 8 Ω

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Parte práctica Amplificador Amplificador Clase A acoplado directamente 1. Determine el valor real de β en su transistor utilizando el multímetro o la hoja de datos del fabricante. 2. Monte el circuito mostrado en la figura.

3. Determine el valor del punto de polarización Q del dispositivo dispositiv o activo. activo . 4. Aplique una señal senoidal con un valor de frecuencia frecuen cia de 1 kHz y una amplitud tal que permita una excursión máxima de la señal de salida sin distorsión. 5. Determine la eficiencia de conversión del del circuito, para la señal aplicada y proceda a realizar los ajustes necesarios para determinar la máxima eficiencia de conversión que puede obtenerse con este circuito. 6. En base a éste resultado, indique cual es el valor de la señal de entrada (máxima entrada posible) aplicada para tal fin. Amplificadores Amplificadores de potencia clase B y AB de simetría complementaria 1. Monte el circuito mostrado de la figura.

2. Determine el valor del punto de polarización Q del dispositivo dispositiv o activo. activo . 3. Aplique una señal senoidal con un valor de frecuencia frecuen cia de 1 kHz y una amplitud tal que permita una excursión máxima de la señal de salida sin distorsión. 4. Determine la eficiencia de conversión del del circuito, para la señal aplicada y proceda a realizar los ajustes 103

necesarios para determinar la máxima eficiencia de conversión que puede obtenerse con este circuito. 5. En base a éste resultado, indique cual es el valor de la señal de entrada (máxima entrada posible) aplicada para tal fin. 6. Determine la ganancia de corriente del circuito, ganancia de tensión, potencia entregada a la carga. 7. Manteniendo la tensión de entrada fija, varié el potenciómetro R2, observe la señal en la carga, ¿Qué ocurre con la señal de salida? ¿A qué se debe este efecto?, tome nota de estas señales. 8. Cambie la resistencia de carga RL por una altavoz de 8 Ω, varié la frecuencia de la tensión de entrada Vsen, ¿Qué observa en la salida? Establezca conclusiones.

POST-LABORATORIO: 1. Emitir las conclusiones respectivas respectivas y anotarlas en la hoja de trabajo. 2. Arme los circuitos circuito s vistos en el laboratorio en el simulador y compruebe los resultados experimentales experimentales con los obtenidos mediante esta herramienta. 3. Describir el funcionamiento funciona miento de la etapa de salida clase A, explicando su configuración, curva de transferencia y forma de onda de la señal de salida. 4. Describir el funcionamiento func ionamiento de la etapa de salida clase AB, explicando su configuración, curva de transferencia y forma de onda de la señal de salida. 5. Realizar el cálculo de disipación total de potencia de cada uno de los los circuitos a utilizar en la práctica.

BIBLIOGRAFÍA 4. Boylestad, R., & Nashelsky, L. (1997). Electrónica: Teoría de circuitos (6ta. ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A. 5. Malvino, A. (2000). Principios de electrónica (6ta. ed.). España: McGraw-Hill McGraw -Hill Interamericana. 6. Savant, C., Roden, M., & Carpenter, G. (2000). Diseño electrónico. Circuitos y sistemas (3era. ed.). México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A.



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Manual de Practicas Taller I Electronica LABORATORIO

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